Tia gamma là gì, tại sao nó lại đáng sợ như vậy, và liệu con người hiện nay có thể hoàn toàn làm chủ và sử dụng nó?

Tìm hiểu về quang phổ điện từ

Con người chúng ta bây giờ nhìn, cảm nhận, và thậm chí mọi thứ liên quan đến ăn, uống và gần như mọi hoạt đồng đều có sự góp mặt của sóng điện từ. Tại sao bạn nói như vậy? Bởi vì sóng điện từ tràn ngập mọi nơi trên thế giới của chúng ta, miễn là nhiệt độ trên độ không tuyệt đối, bất kỳ vật thể nào cũng sẽ có bức xạ điện từ.

Sóng điện từ được truyền bởi các photon, vì vậy chúng còn có thể được gọi là sóng ánh sáng. Nhưng sóng ánh sáng này được chia thành ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng không nhìn thấy, trong cuộc sống hàng ngày, sóng ánh sáng nói chung chỉ đề cập đến phần ánh sáng nhìn thấy của quang phổ điện từ, và ánh sáng nhìn thấy chỉ là một phần nhỏ nằm giữa phổ điện từ. Bước sóng dài nhất của sóng điện từ là vài km hoặc thậm chí dài hơn, ngắn nhất chỉ nhỏ hơn 1 angstrom và ngắn nhất là tia gamma.

Sóng điện từ có bước sóng và tần số, và bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số, tức là bước sóng càng dài và tần số càng nhỏ thì năng lượng càng nhỏ, và ngược lại. Mối quan hệ giữa bước sóng và tần số sóng điện từ là: c = λf. Ở đây c là tốc độ ánh sáng, λ là bước sóng và f là tần số. Bước sóng sóng điện từ dài nhất là sóng vô tuyến (bao gồm sóng dài, sóng trung, sóng ngắn, vi ba), sau đó từ dài đến ngắn: tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia γ.

Bước sóng của sóng vô tuyến theo thứ tự từ km đến milimét, bước sóng của sóng dài có thể đến vài km, và bước sóng vi ba ngắn nhất chỉ 0,1 mm; bước sóng của ánh sáng nhìn thấy trong khoảng 760nm đến 380nm, nm là nanomet - 1mm = 1000μm (micrômet), 1μm = 1000nm, 1nm = 10 ^ -9m (mét).

Bước sóng của tia tử ngoại, tia X và tia gamma thì còn ngắn hơn rất nhiều.

Tất cả vật chất trên thế giới này đều rung động và do đó có tần số. Tần số là số lần một vật dao động trong một giây và tần số của sóng điện từ là số lần sóng điện từ dao động trong một giây, tính bằng Hz (Hertz). Tần số của sóng vô tuyến nằm trong khoảng từ 1000Hz đến 10 ^ 9Hz; dải tần của ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng 3,9 x 10 ^ 14 đến 7,7 x 10 ^ 14Hz; dải tần của tia gamma là 10 ^ 12Hz đến 10 ^ 30Hz.

Để dễ tưởng tượng hơn thì có thể hình dung kích thước coronavirus là khoảng 100nm, tuy nhiên kích thước của dải tia gamma dài nhất chỉ là 0,1nm - nhỏ hơn 1.000 lần so với coronavirus, và tần số của nó là hơn một nghìn tỷ lần mỗi giây. Do đó có thể nói, tia gamma là "ánh sáng" mạnh nhất trong vũ trụ, nhưng ánh sáng này vô hình và giết chết con người.

Nguyên lý gây hại của tia gamma đối với sinh vật

Do có bước sóng rất ngắn và năng lượng cực cao, tia gamma có thể xuyên qua cơ thể của bất kỳ sinh vật nào. Tất cả các sinh vật sống đều được cấu tạo bởi các tế bào, và cốt lõi của mỗi tế bào là DNA vật chất di truyền. Ví dụ, cơ thể con người bao gồm 40 đến 60 nghìn tỷ tế bào. Tế bào lớn nhất là tế bào trứng và tế bào trứng trưởng thành là 200 μm (microns); tế bào nhỏ nhất là tiểu cầu, đường kính chỉ khoảng 2 μm.

Khi cơ thể người bị tia chiếu xạ, tia sẽ đi vào tế bào người và ion hóa với tế bào, xâm nhập vào các phân tử hữu cơ phức tạp trong tế bào và phá hủy các mô tế bào. Vật liệu di truyền cốt lõi quan trọng nhất trong tế bào là DNA, là một đại phân tử có cấu trúc chuỗi xoắn kép.

Chuỗi xoắn kép DNA này mở ra có chiều dài khoảng 2m. Nếu tất cả DNA trong tế bào người được mở và kết nối, người ta nói rằng nó có thể đi từ Trái đất đến mặt trời hơn 300 lần. Nhưng các vòng xoắn DNA chỉ có đường kính 2nm, và các tia gamma có thể làm gián đoạn và phá vỡ cấu trúc của chúng. Do đó, khi một sinh vật bị tia gamma chiếu xạ, các liên kết phân tử của DNA sẽ bị phá vỡ khiến sinh vật đó không còn khả năng sống sót.

Khi lượng bức xạ lớn, sinh vật sẽ chết ngay lập tức, ngay cả khi lượng bức xạ không lớn, các liên kết phân tử của DNA trong cơ thể cũng bị tổn thương nghiêm trọng và sẽ chết dần.

Nguyên lý tạo ra tia gamma

Hạt nhân phóng xạ sẽ tạo ra một hạt nhân mới sau phân rã alpha và phân rã beta. Tia gamma xảy ra trong cả phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân, do đó vũ trụ chứa đầy bức xạ tia gamma.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân của mặt trời tiếp tục diễn ra trong lõi trong vòng 1/4 bán kính thể tích. Quá trình chính là chuỗi phản ứng của proti, từ proti đến deuterium đến heli-3, và cuối cùng là heli-4. Kết quả là sự hợp nhất của bốn hạt nhân proti thành một hạt nhân heli-4, giải phóng các photon gamma, neutrino và positron trong quá trình này. Neutrino nhanh chóng thoát ra khỏi bề mặt mặt trời ra ngoài vũ trụ nhờ sức xuyên cực mạnh, nhưng không dễ để tia gamma mang năng lượng khổng lồ thoát ra ngoài.

Điều này liên quan đến lý thuyết về các photon đi bên trong mặt trời. Đặc tính lan truyền của photon trong chân không là nhanh nhất, đạt 300.000 km / giây. Bên trong mặt trời chứa đầy các proton, và các photon chạm trán với các proton trong mỗi bước đi của chúng, liên tục va chạm và trao đổi. Do đó, để các photon này xuyên qua mặt trời, chúng phải di chuyển với bán kính 700.000 km, và phải va chạm, trao đổi với proton khoảng 10 ^ 26 lần, do đó, phải mất hàng trăm nghìn thậm chí hàng triệu năm, các photon mới có thể đi đến bề mặt của mặt trời.

Vì vậy, đừng ngạc nhiên, ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng ta thực chất là các photon được sinh ra từ hàng trăm nghìn thậm chí hàng triệu năm trước.

Theo phân tích khoa học, ánh sáng mặt trời bao gồm toàn bộ dải sóng điện từ, nhưng hơn 99,9% năng lượng tập trung trong dải bước sóng 200 ~ 10000nm, và năng lượng bức xạ cực đại nằm ở 480nm, là dải ánh sáng xanh có thể nhìn thấy được. Vì vậy, bầu trời mà chúng ta nhìn thấy là màu xanh, và nước biển cũng có màu xanh.

Dải tần 200nm thuộc loại tia cực tím. Quá nhiều tia cực tím sẽ có hại cho cơ thể con người, nhưng hầu hết các tia cực tím sẽ bị hấp thụ hoặc phản xạ bởi tầng ôzôn khi chúng đi qua bầu khí quyển, và rất ít trong số chúng đến được mặt đất. Nhưng da của chúng ta vẫn sẽ bị tổn thương khi tiếp xúc lâu với ánh nắng mặt trời.

Các ngôi sao trong vũ trụ đều đang trải qua phản ứng tổng hợp hạt nhân và liên tục bức xạ tia gamma; cũng có những vụ nổ và va chạm siêu tân tinh của các thiên thể nặng và nhỏ như sao neutron, sẽ tạo ra nhiều tia gamma hơn và thậm chí là các vụ nổ tia gamma. Do đó, trong không gian tồn tại cực kỳ nhiều tia gamma. Nhưng những tia gamma này bị chặn bởi bầu khí quyển, và rất ít trong số chúng đến được bề mặt của Trái Đất.

Nếu bạn hoạt động ở bên ngoài khí quyển, bạn rất dễ bị ảnh hưởng bởi tia gamma và các tia vũ trụ khác, vì vậy các phi hành gia luôn phải mặc những bộ đồ bảo hộ vũ trụ hiện đại khi bước ra bên ngoài tàu vũ trụ. Nhưng tia gamma rất khó bị chặn. Các phi hành gia đang hoạt động trong không gian hoặc trên các hành tinh ngoài Trái đất, mặc dù họ có tàu vũ trụ và bộ quần áo vũ trụ để bảo vệ tốt hơn, nhưng thực tế họ vẫn nhận được một lượng bức xạ lớn hơn nhiều so với bề mặt Trái đất.

Tia gamma có sức đâm xuyên cực mạnh, chỉ những vật liệu đặc biệt có mật độ cao, chẳng hạn như tấm chì, mới có thể có tác dụng ngăn chặn nhất định. Hơn nữa, theo cường độ của tia gamma, độ dày của tấm chì cũng cần được tăng lên.

Sử dụng tia gamma để mang lại lợi ích cho xã hội

Nền văn minh của loài người ngày càng được cải thiện nhờ sự hiểu biết không ngừng về các quy luật tự nhiên. Bản thân tia gamma là một hiện tượng tự nhiên và là một dạng năng lượng do các phần tử giải phóng trong quá trình tập hợp hoặc phân tách.

Bất kỳ lĩnh vực khoa học nào cũng có thể được sử dụng để mang lại lợi ích cho con người hoặc được sử dụng để gây hại cho con người. Điều này cũng đúng với tia gamma, tia gamma có thể giết chết hoặc mang lại lợi ích cho con người.

Các tia gamma được ứng dụng chủ yếu trong việc phát hiện lỗ hổng công nghiệp và chăm sóc sức khỏe. Phát hiện lỗ hổng công nghiệp trên thực tế là sử dụng sức mạnh xuyên thấu của tia gamma để kiểm tra xem có vấn đề gì với cấu trúc bên trong của các sản phẩm công nghiệp hay không.

Trong điều trị y tế, dao gamma và xạ trị được sử dụng phổ biến. Tia X cũng đóng một vai trò lớn trong điều trị y tế, nhưng chủ yếu được sử dụng để kiểm tra hình ảnh con người để xem tình trạng bên trong cơ thể con người. Năng lượng của tia gamma lớn hơn rất nhiều so với tia X, có thể tiêu diệt các tổn thương trên cơ thể qua bề mặt cơ thể người, từ đó tiêu diệt các tế bào ung thư, khối u trong cơ thể mà không để lại chấn thương, có thể giảm bớt tổn hại cho cơ thể con người, và cũng có thể chạm vào phẫu thuật chấn thương.

Con người hiện nay cũng có thể tạo ra tia gamma năng lượng cao

Giờ đây, con người không chỉ hưởng lợi từ tia gamma tự nhiên mà các nhà khoa học còn sản xuất ra tia gamma năng lượng cao. Vào tháng 9 năm 2011, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Strathclyde, Vương quốc Anh đã phát hiện ra rằng các xung laser siêu ngắn có thể phản ứng với các chất khí ion hóa để tạo ra chùm tia laser cực mạnh.

Chùm tia laser mà nhóm nghiên cứu thu được sáng hơn mặt trời 1 nghìn tỷ lần và có thể xuyên qua một tấm chì dày 20 cm, và một bức tường bê tông dày 1,5 mét mới có thể che chắn hoàn toàn nó.

Ánh sáng nhìn thấy rõ nhất trong quang phổ điện từ của mặt trời là dải 480nm, trong khi đó bước sóng này ngắn hơn 1 nghìn tỷ lần, là 4,8 x 10 ^ -21m. Tần số tương ứng của sóng điện từ bước sóng ngắn đó là 6,25 x 10 ^ 28Hz, và chắc chắn đây là một chùm tia gamma cực mạnh.

Khám phá sáng tạo này rất có ý nghĩa và có tiềm năng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong tương lai, chẳng hạn như hình ảnh y tế tốt hơn, xạ trị và được sử dụng rộng rãi hơn trong các thí nghiệm khoa học và công nghiệp. Tuy nhiên thời gian tồn tại của nó chỉ là 10 phần triệu giây, đủ nhanh để ghi lại phản ứng của hạt nhân đối với kích thích, nên nó có thể tạo điều kiện thuận lợi hơn nữa cho việc nghiên cứu sâu về hạt nhân.

Vì vậy, có thể kết luận được rằng loài người đã hiểu và nắm vững nguyên lý của tia gamma, và từ lâu đã bắt đầu sử dụng quy luật tự nhiên này để mang lại lợi ích cho con người.