Tìm hiểu về bức xạ và phóng xạ

Tìm hiểu về bức xạ và phóng xạ

Các câu hỏi được trả lời trong bài này: Bức xạ là gì? Sự phân rã phóng xạ là gì? Đơn vị hoạt độ phóng xạ (Becquerel) là gì? Chu kỳ bán rã diễn ra như thế nào? Bức xạ tự nhiên và bức xạ nhân tạo là gì? Chất phóng xạ được sử dụng như thế nào trong cuộc sống? Bức xạ có ảnh hưởng như thế nào tới các mô sống?

Bức xạ là gì?

Mọi người và mọi vật đều cấu tạo từ nguyên tử.

Một người lớn trung bình là tập hợp của khoảng 4.000.000.000.000.000.000.000.000.000 nguyên tử oxy, hydro, cacbon, nito, phốt pho và các nguyên tố khác.

Khối lượng nguyên tử tập trung ở phần hạt nhân nguyên tử mà độ lớn của nó chỉ bằng một phần tỷ của nguyên tử. Xung quanh hạt nhân hầu như là khoảng trống, ngoại trừ những phần tử rất nhỏ mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân được gọi là electron. Các electron quyết định tính chất hoá học của một chất nhất định. Nó không liên quan gì với hoạt độ phóng xạ. Hoạt độ phóng xạ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc hạt nhân.

Một nguyên tố được xác định bởi số lượng Proton trong hạt nhân. Hydro có 1 proton, Heli có 2, Liti có 3, Berili có 4, Bo có 5 và Cacbon có 6 proton. Số lượng Proton nhiều hơn, thì hạt nhân nặng hơn. Thori có 90 proton, Protatini có 91 và Urani có 92 proton được xem là những nguyên tố siêu Urani.

Số lượng các nơtron quyết định hạt nhân có mang tính phóng xạ hay không. Để các hạt nhân ổn định, số lượng nơtron trong hầu hết mọi trường hợp đều phải lớn hơn số lượng Protron một ít. Ở các hạt nhân ổn định protron và nơtron liên kết với nhau bởi lực hút rất  mạnh của hạt nhân mà không phần tử nào thoát ra ngoài. Trong trường hợp như vậy, hạt nhân sẽ tồn tại bền vững. Tuy nhiên mọi việc sẽ khác đi nếu số lượng nơtron vượt khỏi mức cân bằng. Trong trường hợp này, thì hạt nhân sẽ có năng lượng dư và đơn giản là sẽ không liên kết được với nhau. Sớm hay  muộn nó cũng phải xả phần năng lượng dư thừa đó.

Hạt nhân khác nhau thì việc giải thoát năng lượng dư cũng khác nhau, dưới dạng các sóng điện từ và các dòng phân tử. Năng lượng đó được gọi là bức xạ.

Sự phân rã phóng xạ là gì?

Quá trình mà nguyên tử không bền giải thoát năng lượng dư của nó gọi là sự phân rã phóng xạ. Hạt nhân nhẹ, với ít Proton và nơtron trở lên ổn định sau một lần phân rã. Khi một nhân nặng như Radi hay Urani phân rã, những hạt nhân mới được tạo ra có thể vẫn không ổn định, mà giai đoạn ổn định cuối cùng chỉ đạt được sau một số lần phân rã.

Ví dụ: Urani 238 có 92 proton và 146 nơtron luôn mất đi 2 proton và 2 nơtron khi phân rã. Số lượng proton còn lại sau một lần Urani phân rã là 90, nhưng hạt nhân có số lượng proton 90 lại là Thori, vì vậy Urani 238 sau một lần phân rã sẽ làm sinh ra Thori 234 cũng không ổn định và sẽ trở thành Protatini sau một lần phân rã nữa. Hạt nhân ổn định cuối cùng là chì chỉ được sinh ra sau lần phân rã thứ 14.

Quá trình phân rã này xảy ra đối với nhiều hạt nhân phóng xạ có ở trong môi trường.

Đơn vị hoạt độ phóng xạ (Becquerel) là gì?

Hoạt độ phóng xạ chỉ khả năng phát ra bức xạ của một chất. Hoạt độ không có nghĩa là cường  độ của bức xạ được phát ra hay những rủi ro có thể xảy ra đối với sức khoẻ con người. Nó được quy định bằng đơn vị hoạt độ Becquerel (Bq), phỏng theo tên một nhà vật lý người Pháp, Henri Becquerel.

Hoạt độ phóng xạ của một tập hợp các hạt nhân phóng xạ được tính bởi số các phân rã trong nó trong một đơn vị thời gian. Nếu số lượng phân rã là 1/1 giây, thì hoạt độ của chất đó được tính là 1 Bq. Hoạt độ không liên quan gì đến kích thước hay khối lượng của một chất. Một nguồn phóng xạ có độ lớn bằng điếu thuốc lá dùng trong  một dụng cụ quan trắc phóng xạ có thể có hoạt độ lớn hơn hoạt độ cả thùng lớn chất thải phóng xạ hàng tỷ lần. Nếu số lượng phân rã xảy ra ở một lượng nhỏ của một chất là 1000/1 giây, hoạt độ của chất đó lớn hơn 100 lần so với một số lượng lớn chất chỉ có 10 phân rã xảy ra trong 1 giây.

Chu kỳ bán rã diễn ra như thế nào?

Tốc độ phân rã được mô tả bằng  chu kỳ bán rã, đó là thời gian mà 1/2 số hạt nhân không bền của một chất nào đó phân rã. Chu kỳ bán rã là đơn nhất và không thay đổi cho từng hạt nhân phóng xạ và có thể là từ một phần giây đến hàng tỷ năm. Chu kỳ bán rã của Sulfua - 38 là 2 giờ 52 phút, của Radi - 223 là 11,43 ngày, và Cacbon - 14 là 5.730 năm. Trong các chu kỳ bán rã liên tiếp, hoạt độ chất phóng xạ giảm bởi phân rã từ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16… so với hoạt độ ban đầu. Điều đó cho phép tính hoạt độ còn lại của bất cứ chất nào tại một thời điểm bất kỳ trong tương lai.

Bức xạ có khắp nơi trong môi trường. Hầu hết các chất phóng xạ có đời sống dài đều sinh ra trước khi có Trái đất, vì vậy một lượng xạ luôn tồn tại là điều bình thường không thể tránh khỏi. Trong thế kỷ vừa qua, phông phóng xạ đã tăng lên không ngừng do các hoạt động như thử vũ khí hạt nhân và phát điện hạt nhân. Mức độ phóng xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: địa điểm, thành phần của đất, vật liệu xây dựng, mùa, vĩ độ, và mức độ nào đấy nữa là điều kiện thời tiết: mưa, tuyết, áp suất cao, thấp, hướng gió… tất cả đều ảnh hưởng đến phông bức xạ. Bức xạ được xem là tự nhiên hay nhân tạo là do nguồn gốc sinh ra của nó.

Bức xạ tự nhiên và bức xạ nhân tạo là gì?

Bức xạ tự nhiên

Một phần của phông phóng xạ là bức xạ vũ trụ đến từ không gian. Chúng hầu hết bị cản lại bởi khí quyển bao quanh Trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được Trái đất. Trên đỉnh núi cao hoặc bên ngoài máy bay, độ phóng xạ lớn hơn nhiều so với ở mặt biển. Các phi hành đoàn làm việc chủ yếu ở độ cao có bức xạ vũ trụ lớn hơn mức bình thường ở mặt đất khoảng 20 lần.

Các chất phóng xạ có đời sống dài có trong thiên nhiên thường ở dạng các chất bẩn trong nhiên liệu hoá thạch. Trong lòng đất, các chất như vậy không làm ai bị chiếu xạ, nhưng khi bị đốt cháy, chúng được thải vào khí quyển rồi sau đó khuyếch tán vào đất, làm tăng dần phông phóng xạ.

Nguyên nhân chung nhất của sự tăng phông phóng xạ là Radon, một chất khí sinh ra khi Radi kim loại phân rã. Các chất phóng xạ khác được tạo thành trong quá trình phân rã tồn tại tại chỗ trong lòng đất, nhưng Radon thì bay lên khỏi mặt đất.

Nếu nó lan toả rộng và hoà tan đi thì không gây ra nguy hại gì, nhưng nếu một ngôi nhà xây dựng tại nơi có Radon bay lên tới mặt đất, thì Radon có thể tập trung trong nhà đó, nhất là khi các hệ thống thông khí không thích hợp. Radon tập trung trong nhà có thể lớn hơn hàng trăm lần, có khi hàng ngàn lần so với bên ngoài.

Loại trừ khí Radon, bức xạ tự nhiên không có hại đối với sức khoẻ. Nó là một phần của tự nhiên và các chất phóng xạ có trong cơ thể con người cũng là một phần của tạo hoá.

Bức xạ nhân tạo

Những hoạt động của con người cũng tạo ra các chất phóng xạ được tìm thấy trong môi trường và cơ thể. Một số chất đã được thải vào khí quyển do các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân. Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy điện hạt nhân bảo đảm chúng không gây tác hại gì. Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường.

Chất phóng xạ được sử dụng như thế nào trong cuộc sống?

Sản phẩm tiêu dùng

Một số sản phẩm tiêu dùng cũng có chứa chất phóng xạ. Các ngôi nhà thường được trang bị các thiết bị phát hiện khói có chứa nguồn phóng xạ alpha nhỏ, sơn dạ quang đồng hồ và các dụng cụ cũng có chất phóng xạ tác động vào chất phôtpho làm nó sáng lên.

Công nghiệp

Nhiều người phải tiếp xúc hàng ngày với các vật liệu phóng xạ trong rất nhiều ngành công nghiệp. Con mắt bức xạ nhìn được mọi thứ được sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau, thường để bảo đảm an toàn cho con người.

Tia X được dùng để soi hành lý tại các sân bay, kiểm tra các khuyết tật mối hàn và các vết hàn hoặc các vết nứt các trong công trình xây dựng, các đường ống và các cấu trúc khác. Trong quá trình kiểm tra, nó có thể giúp theo dõi những bất thường trong độ dày của sản phẩm giấy, của phim nhựa và các lá kim loại. Bức xạ được dùng đo mức độ chất lỏng trong các bồn chứa lớn.

Nông nghiệp

Bức xạ mạnh đã được sử dụng thành công trong việc phát triển 1500 giống cây lương thực và cây trồng khác cho sản lượng cao hơn, chống chịu tốt hơn với điều kiện thiên nhiên và sâu bệnh.

Bức xạ được dùng để kiểm soát ruồi Tsetse ở Zambia, ruồi hại hoa quả ở Mexico và sâu cuốn lá ở Nam Mỹ và Bắc Phi. Trong kỹ thuật vô sinh côn trùng, côn trùng đực được đem chiếu xạ làm cho chúng bị mất khả năng sinh sản trước khi thả chung với côn trùng cái, thế hệ sau sẽ không được sinh ra. Không giống các hoá chất diệt côn trùng, biện pháp này không gây ô nhiễm và có mức tác dụng chọn lọc cao.

Bức xạ trị bệnh

Trong lĩnh vực y tế, các ứng dụng bức xạ hầu hết được dựa vào khả năng của chất bức xạ cho phép nhìn xuyên qua và khả năng diệt các tế bào của các bức xạ mạnh.

Ở nhiều nước, phụ nữ trung niên được kiểm tra bằng thiết bị chụp để theo dõi bệnh ung thư vú. Nha sỹ dùng thiết bị chụp hàm để phát hiện các dị thường của xương hàm. Xương được chụp để phát hiện các hiện tượng sai khớp hay gẫy xương. Có khi điều trị cần phải chẩn đoán bằng cách tiêm chất phóng xạ vào cơ thể. Bức xạ có thể được dùng riêng để chữa ung thư hay được sử dụng hỗ trợ cho điều trị bằng phẫu thuật hoặc hoá chất.

Chẩn đoán sớm

Nhiều căn bệnh được phát hiện sớm bằng chụp X quang còn có thể chữa được.

Khi tia X vào cơ thể, nó tạo một hình ảnh có những vùng tối hơn và có những vùng sáng hơn, cho phép chụp các cơ quan nội tạng để chẩn đoán bệnh. Xương được tạo hình ảnh rất rõ trên phim nhưng để kiểm tra ruột hoặc sụn, bệnh nhân thường được tiêm, uống hoặc đưa vào cơ thể một chất tương phản, chất đó sẽ đọng lại ở nơi sẽ chụp và do tính dễ hấp thu bức xạ đó sẽ cho hình ảnh rất rõ về bộ phận được chụp trên phim X quang.

Xạ trị

Khi cần nguồn xạ năng lượng lớn hơn X quang như trong xạ trị, thì người ta dùng thiết bị Telecobalt, hay gần đây hơn là dùng máy gia tốc tuyến tính. Máy gia tốc tuyến tính truyền chùm electron năng lượng cao vào sâu trong khối tế bào cần điều trị như các khối u. Vì chùm tia electron rất dễ căn chuẩn, nó chiếu thẳng vào các khối u và phá huỷ khối u trong thời gian vài tuần mà không gây tổn hại gì nhiều cho tế bào xung quanh hoặc cho da. Các tế bào xung quanh nếu bị ảnh hưởng sẽ có thời gian hồi phục giữa các đợt điều trị. Khi cần thiết, máy gia tốc tuyến tính có thể chụp ảnh các cơ quan nội tạng với hình ảnh rõ hơn nhiều so với chụp X quang.

Một hình thức khác nữa của xạ trị là điều trị hocmôn tuyến giáp và một số dạng u giáp trạng. Bệnh nhân được uống một dung dịch có chứa iôt 131, chất này đi vào tuyến giáp và tạo ra nội xạ trị. Trong trường hợp đặc biệt, một nguồn xạ nhỏ liên tục được đưa vào trong cơ thể bên cạnh vùng cần điều trị để thực hiện vùng điều trị ngắn tại chỗ.

Chiếu xạ khử trùng và bảo quản thực phẩm

Nguồn phóng xạ rất mạnh có thể được sử dụng để khử trùng các dụng cụ như dụng cụ phẫu thuật, găng tay, những dụng cụ không thể khử trùng bằng nhiệt độ cao. Một số loại thuốc cũng được khử trùng bằng chiếu xạ; thực phẩm cũng có thể chiếu xạ để bảo quản được lâu hơn. Hiện nay khoảng 20% thực phẩm bị hỏng trước khi đến được với người tiêu dùng trong khi thực phẩm chiếu xạ cũng có thể bảo quản nhiều tháng. Chiếu xạ thực phẩm còn loại trừ được các ký sinh trùng và khuẩn có hại. Thực phẩm đã được chiếu xạ không mang tính phóng xạ và không nguy hại đối với người tiêu dùng.

Bức xạ có ảnh hưởng như thế nào tới các mô sống?

Bức xạ sinh ra dưới nhiều hình thức. Đối với sức khỏe con người, thì các dạng quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua vật chất và làm cho nó bị điện tích hoá hay ion hoá. Nếu bức xạ ion hoá thấm vào các mô sống, các iôn được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hoá, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ.

Bức xạ Alpha

Bao gồm các phần tử nặng mang điện tích dương hoặc các tập hợp gồm hai proton và hai notron được phát ra bởi các nguyên tử của các nguyên tố nặng như Uran, Radi, Radon và Plutoni. Trong không gian, bức xạ alpha không truyền xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da. Tuy nhiên, nếu một chất phát tia Alpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát ra năng lượng ra các tế bào xung quanh. Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm, mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da.

Bức xạ Beta

Bao gồm các electron nhỏ hơn rất nhiều so với các hạt alpha và nó có thể thấm sâu hơn. Beta có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường và nó có thể xuyên qua được lớp ngoài của da. Nó có thể làm tổn thương lớp da bảo vệ. Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986, các tia Beta mạnh đã làm cháy da những người cứu hoả. Nếu các bức xạ Beta phát ra trong cơ thể, nó có thể chiếu xạ trong các mô trong đó.

Bức xạ Gamma

Bức xạ Gamma là năng lượng sóng điện từ. Nó đi được khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh. Khi tia gamma bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của nó cũng bắt đầu giảm. Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia gamma va chạm với các nguyên tử. Các va chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại cho da và các mô ở bên trong. Các vật liệu đặc như chì, bê tông là tấm chắn lý tưởng đối với tia gamma.

Bức xạ tia X

Bức xạ tia X tương tự như bức xạ Gamma, nhưng bức xạ Gamma được phát ra bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X do con người tạo ra trong một ống tia X mà bản thân nó không có tính phóng xạ. Vì ống tia X hoạt động bằng điện, nên việc phát tia X có thể bật, tắt bằng công tắc.

Bức xạ Nơtron

Bức xạ Nơtron được tạo ra trong quá trình phát điện hạt nhân, bản thân nó không phải là bức xạ ion hoá, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hoá. Nơtron có sức xuyên mạnh hơn tia Gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn Paraphin. May mắn thay, bức xạ Nơtron không tồn tại ở đâu, trừ lò phản ứng hạt nhân và nhiên liệu hạt nhân.

Lê Hoa (Theo tài liệu của IAEA “Bức xạ, Sức khoẻ và Xã hội”)