Phân rã phóng xạ là gì?

Phân rã phóng xạ (còn được gọi là phân rã hạt nhân, phóng xạ, phân rã phóng xạ hoặc phân rã hạt nhân) là quá trình một hạt nhân nguyên tử không ổn định mất năng lượng do bức xạ. Vật liệu chứa hạt nhân không ổn định được coi là phóng xạ.

Ba loại phân rã phổ biến nhất là phân rã alpha, beta và gamma. Lực yếu là cơ chế chịu trách nhiệm cho phân rã beta, trong khi hai loại còn lại được chi phối bởi lực điện từ và lực hạt nhân.

Phân rã phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên ở cấp độ nguyên tử đơn lẻ. Theo thuyết lượng tử, không thể dự đoán được thời điểm một nguyên tử cụ thể sẽ phân rã, bất kể nguyên tử đó đã tồn tại bao lâu.

Tuy nhiên, đối với một số lượng đáng kể các nguyên tử giống hệt nhau, tốc độ phân rã tổng thể có thể được biểu thị dưới dạng hằng số phân rã hoặc chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã của các nguyên tử phóng xạ có phạm vi rất lớn: từ gần như tức thời đến dài hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ.

Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ

Đơn vị trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI) dùng để đo hoạt độ phóng xạ là becquerel (Bq), được đặt theo tên nhà khoa học Henri Becquerel. Một Bq được định nghĩa là một sự biến đổi (hay một sự phân rã hay tiêu biến) mỗi giây.

Một đơn vị cũ hơn của hoạt độ phóng xạ là curie (Ci), ban đầu được định nghĩa là “lượng hay khối lượng khí radium ở trạng thái cân bằng với một gram radium (nguyên tố)”. Ngày nay, curie được định nghĩa là 3,7×10¹⁰ sự phân rã mỗi giây, do đó:

1 curie (Ci) = 3,7×10¹⁰ Bq.

Đối với các mục đích bảo vệ bức xạ, mặc dù Ủy ban Pháp quy Hạt nhân Hoa Kỳ (NRC) cho phép sử dụng đơn vị curie cùng với các đơn vị SI, Liên minh châu Âu đã yêu cầu đơn vị này phải được loại bỏ dần cho “các mục đích liên quan đến sức khỏe cộng đồng…” trước ngày 31 tháng 12 năm 1985.

Các loại phân rã phóng xạ 

Phân rã alpha, beta và gamma

Những nhà nghiên cứu thời kỳ đầu đã phát hiện rằng điện trường hoặc từ trường có thể tách bức xạ phóng xạ thành ba loại tia. Ernest Rutherford đã đặt tên cho ba loại này là alpha, beta và gamma, theo thứ tự tăng dần khả năng đâm xuyên vật chất.

• Phân rã alpha chỉ được quan sát trong các nguyên tố nặng có số hiệu nguyên tử từ 52 (tellurium) trở lên, ngoại trừ beryllium-8 (phân rã thành hai hạt alpha).
• Tia gamma được phát ra từ các trạng thái kích thích của hạt nhân như một hiệu ứng phụ của phân rã alpha hoặc beta.
• Phân rã beta là loại duy nhất được quan sát ở tất cả các nguyên tố. Chì (Pb), có số hiệu nguyên tử 82, là nguyên tố nặng nhất có các đồng vị ổn định (theo giới hạn đo được).

Qúa trình bắt electron 

Trong quá trình bắt electron, một số đồng vị giàu proton bắt lấy electron của chính nguyên tử thay vì phát ra positron. Sau đó, những đồng vị này chỉ phát ra một neutrino và một tia gamma từ hạt nhân bị kích thích (và thường kèm theo electron Auger và tia X đặc trưng, do quá trình các electron còn lại tái sắp xếp để bù vào vị trí electron đã bị bắt).

Phát xạ nucleon

Không lâu sau khi neutron được phát hiện vào năm 1932, Enrico Fermi nhận ra rằng một số phản ứng phân rã beta hiếm có thể tạo ra neutron trễ (beta-delayed neutron emission) như một hạt phân rã bổ sung.

Phát xạ neutron thường xảy ra từ những hạt nhân ở trạng thái kích thích, chẳng hạn như ¹⁷O* được tạo ra từ phân rã beta của ¹⁷N.

Các dạng phân rã kỳ lạ hơn

Những dạng phân rã phóng xạ khác được phát hiện cũng tạo ra các loại hạt đã biết nhưng theo cơ chế khác.

Ví dụ:

Chuyển đổi nội bộ (internal conversion) dẫn đến việc phát ra electron ban đầu, và sau đó thường có thêm tia X đặc trưng và electron Auger, mặc dù quá trình chuyển đổi nội bộ không liên quan đến phân rã beta hay gamma.

Sự xuất hiện và ứng dụng

Theo thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang theory), các đồng vị bền của ba nguyên tố nhẹ nhất (H, He và một lượng nhỏ Li) được tạo ra rất sớm sau khi vũ trụ hình thành, trong một quá trình gọi là tổng hợp hạt nhân thời Big Bang.

Các hạt nhân bền nhẹ nhất này (bao gồm cả deuterium) vẫn còn tồn tại đến ngày nay, nhưng bất kỳ đồng vị phóng xạ nào của các nguyên tố nhẹ được tạo ra trong Big Bang (chẳng hạn như tritium) đã phân rã từ lâu.

Các đồng vị của những nguyên tố nặng hơn boron không được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn, và năm nguyên tố đầu tiên (H, He, Li, Be, B) đều không có đồng vị phóng xạ sống lâu.

Hiệu ứng Szilard–Chalmers

Hiệu ứng Szilard–Chalmers là hiện tượng gãy một liên kết hóa học do năng lượng động học được truyền từ phân rã phóng xạ. Hiệu ứng này xảy ra khi nguyên tử hấp thụ neutron và sau đó phát ra tia gamma, thường kèm theo một lượng lớn năng lượng động học.

Theo định luật thứ ba của Newton, năng lượng động học này tạo một lực đẩy ngược lên nguyên tử đang phân rã, khiến nguyên tử di chuyển với tốc độ đủ để phá vỡ liên kết hóa học. Hiệu ứng này có thể được sử dụng để tách các đồng vị bằng phương pháp hóa học.

Nguồn gốc của các hạt nhân phóng xạ

Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy (radioactive primordial nuclides) có trên Trái Đất là tàn dư từ các vụ nổ siêu tân tinh cổ xưa xảy ra trước khi Hệ Mặt Trời hình thành.

Chúng là phần còn lại của các đồng vị phóng xạ tồn tại từ thời đó, trải qua quá trình hình thành tinh vân mặt trời nguyên thủy, quá trình hình thành các hành tinh, và đến thời điểm hiện tại.

Quá trình tổng hợp

Mặc dù quá trình phân rã phóng xạ xảy ra ở cấp độ hạt nhân, trong lịch sử và hầu hết các trường hợp thực tế, hiện tượng này được quan sát trong vật liệu khối với số lượng nguyên tử rất lớn.

Phần này bàn về các mô hình kết nối các sự kiện ở cấp độ nguyên tử với quan sát tổng thể.

Thuật ngữ

Tốc độ phân rã hay hoạt độ của một chất phóng xạ được đặc trưng bởi các tham số không đổi theo thời gian sau:

• Chu kỳ bán rã (half-life, t₁/₂): thời gian cần để hoạt độ của một lượng chất phóng xạ giảm xuống còn một nửa giá trị ban đầu.
• Hằng số phân rã (decay constant, λ “lambda”): nghịch đảo của tuổi thọ trung bình (tính theo giây⁻¹), đôi khi đơn giản gọi là tốc độ phân rã.
• Tuổi thọ trung bình (mean lifetime, τ “tau”): tuổi thọ trung bình (1/e life) của một hạt phóng xạ trước khi phân rã.
• Mặc dù đây là các hằng số, chúng liên quan đến hành vi thống kê của quần thể nguyên tử. Do đó, dự đoán dựa trên các hằng số này kém chính xác hơn đối với mẫu nguyên tử rất nhỏ.
• Về nguyên tắc, có thể sử dụng chu kỳ một phần ba hoặc thậm chí (1/√2)-life giống như chu kỳ bán rã; nhưng tuổi thọ trung bình và chu kỳ bán rã t₁/₂ đã được chấp nhận làm thời gian tiêu chuẩn liên quan đến phân rã mũ.

Các tham số này có thể liên hệ với các tham số phụ thuộc thời gian sau:

• Hoạt độ tổng hay chỉ gọi là hoạt độ: số lượng phân rã trên một đơn vị thời gian của mẫu phóng xạ.
• Số hạt (Number of particles, N): số lượng hạt trong mẫu.
• Hoạt độ riêng (Specific activity, a): số lượng phân rã trên một đơn vị thời gian trên lượng chất của mẫu tại thời điểm t = 0. “Lượng chất” có thể là khối lượng, thể tích hoặc mol của mẫu ban đầu.

Các quá trình hạt nhân

Một hạt nhân (nuclide) được coi là “tồn tại” nếu nó có chu kỳ bán rã lớn hơn 2×10⁻¹⁴ giây. Đây là mốc giới hạn tùy ý; những hạt nhân có chu kỳ ngắn hơn được xem là cộng hưởng (resonances), chẳng hạn như hệ thống đang trải qua phản ứng hạt nhân. Thang thời gian này đặc trưng cho tương tác mạnh (strong interaction), lực tạo ra lực hạt nhân. Chỉ có các hạt nhân mới được xem là phân rã và tạo ra phóng xạ.

Các hình thức phân rã phóng xạ tự nhiên phổ biến và quan trọng về mặt lịch sử nhất liên quan đến tia alpha, beta và gamma. Mỗi loại tương ứng với một tương tác cơ bản chủ yếu chịu trách nhiệm cho phóng xạ:

• Phân rã alpha (→ tương tác mạnh): một hạt gồm hai proton và hai neutron, tương đương với hạt nhân He, thoát ra từ hạt nhân mẹ. Quá trình này là sự cạnh tranh giữa lực đẩy điện từ giữa các proton trong hạt nhân và lực hạt nhân hấp dẫn.
• Phân rã beta (→ tương tác yếu): biến đổi một neutron thành proton hoặc ngược lại. Khi một neutron bên trong hạt nhân mẹ phân rã thành proton, quá trình tạo ra một electron, một phản neutrino (anti-neutrino) và một hạt nhân mới có số hiệu nguyên tử cao hơn.
• Phân rã gamma (→ tương tác điện từ): tương tự như các dạng phát xạ điện từ khác; nó xảy ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái lượng tử kích thích xuống trạng thái năng lượng thấp hơn.