Tài liệu Bài giảng điện từ P4 ( Full) ppt

2.6 Lực hạt nhân yếu; phân rã beta
Mọi quá trình hạt nhân mà chúng ta đã nói tới ở trên đều liên quan tới sự sắp xếp của các proton
và neutron, không có sự thay đổi nào ở tổng số proton hay tổng số neutron. Bây giờ hãy xét tỉ lệ
neutron và proton trong cơ thể bạn và trong hành tinh Trái Đất: neutron và proton nhiều xấp xỉ
bằng nhau trong hạt nhân cacbon và oxygen trong cơ thể bạn, và cũng như trong nikel và sắt cấu
thành nên đa phần Trái Đất. Tỉ lệ khoảng chừng 50 – 50. Nhưng, như thảo luận chi tiết hơn trong
phần 2.10 không bắt buộc, những nguyên tố hóa học duy nhất được tạo ra với số lượng đáng kể
trong Big Bang là hydrogen (khoảng 90%) và helium (khoảng 10%). Nếu vũ trụ sơ khai hầu như
không có gì cả ngoài các nguyên tử hydrogen, hạt nhân của chúng chỉ là proton, thì tất cả
neutron từ đâu mà có ?
Câu trả lời là có một lực hạt nhân nữa, lực hạt nhân yếu, có khả năng chuyển hóa neutron thành
proton và ngược lại. Hai phản ứng có khả năng là:

(Cũng còn có một loại thứ ba gọi là bắt electron, trong đó một proton tóm lấy một trong số các
electron của nguyên tử và chúng tạo ra một neutron và một neutrino).
Trong khi phân hủy alpha và sự phân hạch chỉ là sự phân chia lại của những hạt đã tồn tại trước
đó, thì những phản ứng này liên quan tới sự phân hủy một hạt và hình thành ba hạt mới trước đó
không tồn tại.
Ở đây có ba hạt mới bạn chưa bao giờ gặp từ trước tới giờ. Kí hiệu e
+
dành cho phản electron, hạt
giống hệt electron về mọi mặt, trừ ở chỗ điện tích của nó là dương chứ không phải âm. Phản
electron còn được gọi là positron. Không ai biết tại sao electron thì phổ biến trong vũ trụ, còn
phản electron thì lại khan hiếm. Khi một phản electron chạm phải một electron, chúng hủy lẫn
nhau, tạo ra tia gamma, và đây là định mệnh của mọi phản electron sinh ra bởi sự phóng xạ tự
nhiên trên Trái Đất. Phản electron là một ví dụ của phản vật chất. Một nguyên tử hoàn toàn phản
vật chất sẽ gồm các phản proton, phản electron và phản neutron. Mặc dù từng hạt phản vật chất
xuất hiện phổ biến trong tự nhiên do sự phóng xạ tự nhiên và tia vũ trụ, nhưng chỉ có một vài
nguyên tử hoàn toàn phản hydrogen được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo.
Kí hiệu n dành cho một hạt gọi là neutrino, và ν~ có nghĩa là phản neutrino. Neutrino và phản
neutrino đều không có điện tích (vì thế mới có tên).

Giờ chúng ta hãy liệt kê bốn lực cơ bản của vật lí:
 lực hấp dẫn
 lực điện từ
 lực hạt nhân mạnh
 lực hạt nhân yếu
Các lực khác mà chúng ta đã biết, như lực ma sát và lực thông thường, đều phát sinh từ tương tác
điện từ giữa các nguyên tử, và do đó không được xem là lực cơ bản của vật lí học.
Ví dụ 2. Phân rã của
212
Pb
Như một ví dụ, hãy xét đồng vị phóng xạ của chì
212
Pb. Nó gồm 82 proton và 130 neutron. Nó
phân rã bởi quá trình n → p + e
-
+ ν~. Proton mới sinh được giữ bên trong hạt nhân bằng lực hạt
nhân mạnh, nên hạt nhân mới chứa 83 proton và 129 neutron. Có 83 proton khiến nó là nguyên
tố bismuth, nên nó sẽ là nguyên tử
212
Bi.
Trong một phản ứng giống như phản ứng này, electron bay ra ở tốc độ cao (thường gần tốc độ
ánh sáng), và electron thoát ra là thứ khiến cho một lượng lớn loại phóng xạ này trở nên nguy
hiểm. Electron thoát ra là cái đầu tiên mách nước cho các nhà khoa học đầu những năm 1900 về
sự tồn tại của loại phóng xạ này. Vì họ không biết các hạt phát ra là electron, nên họ gọi chúng là
hạt beta, và loại phân rã phóng xạ này do đó có tên là phân rã beta. Một thuật ngữ sáng sủa hơn
nhưng kém thông dụng gọi hai quá trình này là phân hủy electron và phân hủy positron.
Neutrino hay phản neutrino phát ra trong một phản ứng đẹp như thế bỏ qua hết mọi vật chất, vì
nó không có điện tích nên nó được miễn trừ lực điện, và nó cũng vẫn tách khỏi tương tác hạt
nhân mạnh. Cho dù là nó bay ra thẳng xuống đất, thì hầu như nhất định nó sẽ đi qua toàn bộ Trái
Đất mà không tương tác với bất kì nguyên tử nào theo bất kì kiểu nào. Nó sẽ bay ra ngoài không

gian xa thẳm mãi mãi. Hành vi của neutrino khiến nó cực kì khó phát hiện, và khi phân rã beta
lần đầu tiên được phát hiện, không ai nhận ra neutrino tồn tại. Ngày nay chúng ta biết neutrino
mang hết một số năng lượng sinh ra trong phản ứng, nhưng vào lúc đó, người ta thấy hình như
năng lượng toàn phần sau phản ứng (không tính đến năng lượng của neutrino) lớn hơn năng
lượng toàn phần trước phản ứng, vi phạm sự bảo toàn năng lượng. Các nhà vật lí đã sẵn sàng
ném nguyên lí bảo toàn năng lượng ra ngoài cửa sổ như một định luật cơ bản của vật lí khi bằng
chứng gián tiếp dẫn họ tới kết luận rằng neutrino tồn tại.
Vấn đề neutrino Mặt Trời
Những hạt neutrino này là gì ? Tại sao trước đây bạn chưa hề nghe nói tới chúng ? Không phải vì
chúng khan hiếm – khoảng một tỉ neutrino đi xuyên qua cơ thể bạn trong mỗi micro giây, nhưng
cho đến gần đây hầu như người ta chẳng biết gì về chúng. Được tạo ra như một hiệu ứng phụ của
phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng cho Mặt Trời và những ngôi sao khác, những mảnh vật
chất ma quỷ này được cho là hạt có số lượng nhiều nhất trong vũ trụ. Nhưng chúng tương tác quá
yếu với vật chất thông thường nên hầu như toàn bộ neutrino đi vào Trái Đất ở phía bên này sẽ đi
ra phía bên kia hành tinh của chúng ta mà không hề bị làm cho chậm lại.
Cái nhìn trộm thật sự của chúng ta vào tính chất của neutrino hay lảng tránh đến từ một máy dò
khổng lồ đặt trong một mỏ thiếc ở Nhật Bản, s. Một đội các nhà vật lí quốc tế đã trang bị cho
hầm mỏ phủ kín những bộ cảm biến ánh sáng, và rồi lấp đầy toàn bộ mọi thứ trong nước tinh
khiết đến mức bạn có thể nhìn xuyên qua nó một trăm mét, so với chi vài mét nước vòi chảy bình
thường. Dòng neutrino liên tục đi qua 50 triệu lít nước, giống như chúng đã gây ngập lụt mọi thứ
khác xung quanh chúng ta, và đa số chúng không bao giờ tương tác với một phân tử nước. Tuy
nhiên, một phần trăm rất nhỏ thật sự tự hủy trong nước, và lóe sáng nhỏ xíu mà chúng tạo ra có
thể phát hiện bởi các ống chân không có kích thước bằng quả bóng chuyền bãi biển nằm sắp
hàng trong hầm mỏ tối đen. Đa số neutrino xung quanh chúng ta đến từ Mặt Trời, nhưng vì
những lí do kĩ thuật, loại máy dò kiểu nước này lại nhạy hơn với những neutrino kém phổ biến
nhưng có năng lượng tính cao hơn tạo ra khi các tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển của Trái
Đất.

Neutrino được biết là có ba “mùi”, có thể phân biệt chúng bằng những hạt sinh ra khi chúng va
chạm với vật chất. Một “neutrino mùi electron” tạo ra một electron bình thường khi chúng phân

hủy, còn hai loại kia tạo ra những hạt kì lạ hơn gọi là hạt mu và tau. Hãy nghĩ ba loại neutrino là
sôcôla, vani và dâu. Khi bạn mua một nón kem sôcôla, bạn mong rằng nó sẽ giữ vị sôcôla khi
bạn ăn nó. Kết quả không mong đợi từ thí nghiệm ở Nhật Bản là một số neutrino thay đổi mùi vị
giữa thời gian khi chúng được tạo ra bởi tia vũ trụ và thời điểm khi chúng nhấp nháy chứng tỏ
tồn tại trong nước. Trong chừng mực nào đó, nó giống như nón kem sôcôla của bạn đã tự chuyển
hóa một cách kì diệu sang vị dâu khi bạn quay lưng sang chỗ khác.
Làm thế nào các nhà vật lí tìm hiểu được sự thay đổi mùi vị đó ? Thí nghiệm đó phát hiện một số
neutrino phát sinh trong bầu khí quyển phía trên Nhật Bản, và cũng có nhiều neutrino đến từ
những phần xa xôi trên Trái Đất. Một neutrino tạo ra phía trên Đại Tây Dương đến Nhật Bản từ
dưới lòng đất, và thí nghiệm đó có thể phân biệt những neutrino xuyên từ dưới lên này với
neutrino địa phương xuyên từ trên xuống. Họ tìm thấy hỗn hợp neutrino đến từ phía dưới khác
với hỗn hợp neutrino đến từ phía trên, với một số neutrino mùi electron và mùi tau rõ ràng biến
đổi thành neutrino mùi mu trong hành trình của chúng xuyên qua Trái Đất. Những neutrino đến
từ phía trên không có thời gian để biến đổi mùi trong hành trình ngắn hơn nhiều của chúng.

Điều này được hiểu là bằng chứng cho thấy neutrino liên tục biến đổi tới lui giữa ba mùi. Trên
cơ sở lí thuyết, người ta tin rằng một sự dao động như thế chỉ có thể xảy ra nếu như neutrino có
khối lượng. Ở đây chỉ có thể có một ước tính thô về khối lượng đó: hình như neutrino có khối
lượng đâu đó trong khoảng lân cận một phần tỉ khối lượng của một electron, hay khoảng 10
-39

kg.
Nếu khối lượng neutrino quá nhỏ như vậy, nó có còn là vật chất không ? Nó có ý nghĩa với các
nhà thiên văn học. Neutrino là những hạt duy nhất có thể dùng để khảo sát những hiện tượng
nhất định. Ví dụ, chúng là máy dò trực tiếp duy nhất mà chúng ta có để kiểm tra mô hình của
chúng ta về lõi của Mặt Trời của chúng ta, nguồn năng lượng cho mọi sự sống trên Trái Đất. Một
khi các nhà thiên văn có được sự nắm bắt tốt về những tính chất cơ bản của neutrino, họ có thể
bắt đầu nghĩ một cách nghiêm túc việc sử dụng chúng cho mục đích thiên văn học. Như trong
năm 2006, khối lượng neutrino đã được xác nhận bằng một thí nghiệm dựa trên máy gia tốc, và
những quan sát neutrino đã và đang hoạt động trong vài năm ở Nam Cực, sử dụng khối băng tự

nhiên khổng lồ theo kiểu giống như nước dùng trong thí nghiệm ở Nhật Bản.
Câu hỏi thảo luận
A. Trong các phản ứng n → p + e
-
+ ν~ và p → n + e
+
+ ν, hãy kiểm tra điện tích được bảo toàn.
Trong phân rã beta, khi một trong những phản ứng này xảy ra với một neutron hay proton trong
một hạt nhân, một hay nhiều tia gamma cũng có thể được phát ra. Hiện tượng này có ảnh hưởng
tới sự bảo toàn điện tích ? Có khả năng cho một số electron nữa được giải phóng mà không vi
phạm sự bảo toàn điện tích hay không ?
B. Khi một phàn electron và một electron hủy nhau, chúng tạo ra hai tia gamma. Điện tích có
được bảo toàn trong phản ứng này ?

u/ 1. Nguồn gốc năng lượng Mặt Trời của chúng ta là sự nhiệt hạch hạt nhân, nên sự nhiệt hạch
hạt nhân cũng là nguồn cung cấp năng lượng cho mọi sự sống trên Trái Đất, trong đó có cánh
rừng nhiệt đới này ở Fatu-Hiva, 2. 3. Sự giải phóng năng lượng lần đầu tiên bởi sự nhiệt hạch hạt
nhân bằng công nghệ của con người là vụ thử Ivy Mike năm 1952 tại Enewetak Atoll. 4. Dãy
máy dò tia gamma này có tên là GAMMASPHERE. Khi hoạt động, dãy này đóng lại, và một
chùm ion tạo ra bởi một máy gia tốc hạt va chạm với bia tại tâm của nó, tạo ra phản ứng nhiệt
hạch hạt nhân. Nghiên cứu tia gamma có thể cung cấp thông tin về cấu trúc của hạt nhân nóng
chảy, những trạng thái thường không tìm thấy trong tự nhiên. 5. Sự phân hạch hạt nhân hứa hẹn
một nguồn năng lượng sạch, vô tận. Tuy nhiên, mục tiêu của năng lượng nhiệt hạch hạt nhân có
thể thực hiện về mặt thương mại vẫn còn khó nắm được, do những khó khăn kĩ thuật, như việc
giam giữ bằng từ một khối plasma (khí ion hóa) ở một nhiệt độ và mật độ đủ cao. Hình này cho
thấy lò phản ứng thí nghiệm JET, với thiết bị mở phía bên trái, và đang hoạt động ở phía bên
phải.
2.7 Sự nhiệt hạch
Như chúng ta đã thấy, hạt nhân nặng có xu hướng tách ra vì mỗi proton bị từng proton khác
trong hạt nhân đẩy, nhưng chỉ bị hút bởi những lân cận gần nhất của nó. Hạt nhân vỡ thành hai

mảnh, và ngay khi hai mảnh đó cách nhau hơn 1 fm, lực hạt nhân mạnh không còn làm cho hai
mảnh hút nhau nữa. Lực đẩy điện khi đó gia tốc chúng, làm cho chúng thu được một lượng lớn
động năng. Sự giải phóng động năng này là cái cung cấp năng lượng cho lò phản ứng hạt nhân
và bom phân hạch.
Khi đó dường như hạt nhân nhẹ nhất là bền nhất, nhưng không phải như vậy. Hãy so sánh một
hạt nhân cực nhẹ như
4
He với một hạt nhân nào đó nặng hơn như
16
O. Một neutron hay proton
trong
4
He có thể bị ba hạt kia hút, nhưng trong
16
O, có thể có 5 hay 6 láng giềng hút nó. Do đó
hạt nhân
16
O bền hơn.
Hóa ra những hạt nhân bền nhất đều là những hạt nhân xung quanh nickel và sắt, có khoảng 30
proton và 30 neutron. Giống như một hạt nhân quá nặng để bền vững có thể giải phóng năng
lượng bằng cách tách thành hai mảnh gần với kích thước bền nhất, hạt nhân nhẹ có thể giải
phóng năng lượng nếu như bạn gắn chúng lại với nhau tạo ra hạt nhân lớn hơn gần với kích
thước bền nhất. Hợp nhất một hạt nhân với hạt nhân khác gọi là sự nhiệt hạch hạt nhân. Nhiệt
hạch hạt nhân là cái mang lại năng lượng cho Mặt Trời và những ngôi sao khác.
2.8 Năng lượng hạt nhân và năng lượng liên kết
Theo cách tương tự như phản ứng hóa học có thể phân loại là tỏa nhiệt (giải phóng năng
lượng)eHeHH hay thu nhiệt (yêu cầu năng lượng để phản ứng), các phản ứng hạt nhân có thể
giải phóng hoặc sử dụng hết năng lượng. Năng lượng có trong phản ứng hạt nhân lớn hơn rất
nhiều lần. Phải đốt hàng ngàn tấn than đá mới tạo ra được năng lượng lớn như năng lượng do
một kg nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân tạo ra.

Mặc dù các phản ứng hạt nhân tiêu hao năng lượng (phản ứng thu năng lượng) có thể khởi tạo
trong máy gia tốc, trong đó một hạt nhân được cho đâm vào một hạt nhân khác ở tốc độ cao,
nhưng chúng không xảy ra trong tự nhiên, không xảy ra cả trong Mặt Trời. Đơn giản là vì lượng
động năng cần thiết không sẵn có.
Để tìm lượng năng lượng tiêu hao hoặc giải phóng trong một phản ứng hạt nhân, bạn cần phải
biết bao nhiêu năng lượng tương tác hạt nhân, U
hn
, được dự trữ hoặc giải phóng. Các nhà thực
nghiệm đã xác định được lượng năng lượng hạt nhân dự trữ trong hạt nhân của mỗi nguyên tố
bền, cũng như nhiều nguyên tố không bền. Đây là lượng công cơ học cần thiết để tách hạt nhân
ra thành từng neutron và proton của nó, và ngày nay gọi là năng lượng liên kết hạt nhân.
Ví dụ 3. Phản ứng xảy ra trong Mặt Trời
Mặt Trời sản sinh năng lượng của nó qua một chuỗi phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Một trong các
phản ứng đó là
1
H +
2
H →
3
He + γ
Năng lượng thừa hầu như đều được mang bởi tia gamma (chứ không phải bởi động năng của
nguyên tử
3
He). Năng lượng liên kết tính bằng đơn vị pJ (pico joule) là
1
H 0 pJ
2
H 0,35593 pJ
3
He 1,23489 pJ

Năng lượng hạt nhân toàn phần ban đầu là 0 pJ + 0,35593 pJ, và năng lượng hạt nhân cuối cùng
là 1,23489 pJ, nên theo sự bảo toàn năng lượng, tia gamma phải mang khỏi năng lượng 0,87896
pJ. Tia gamma khi đó bị Mặt Trời hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt.
♥ Tại sao năng lượng liên kết của
1
H chính xác bằng không ?
Sự chuyển hóa khối lượng thành năng lượng và năng lượng thành khối lượng
Nếu bạn cộng khối lượng của ba hạt sinh ra trong phản ứng n → p + e
-
+ ν~, bạn sẽ thấy chúng
không bằng với khối lượng của neutron, nên khối lượng không được bảo toàn. Một ví dụ còn
hiển nhiên hơn nữa là sự hủy của một electron với một positron,
e
-
+ e
+
→ 2γ, trong đó khối lượng ban đầu bị triệt tiêu hoàn toàn, vì tia gamma không có khối
lượng. Sự không bảo toàn khối lượng không chỉ là một tính chất của phản ứng hạt nhân. Nó cũng
xảy ra trong các phản ứng hóa học, nhưng sự thay đổi khối lượng quá nhỏ để phát hiện với
những chiếc cân thông thường trong phòng thí nghiệm.
Lí do khối lượng không bảo toàn là khối lượng đã chuyển hóa thành năng lượng, theo phương
trình nổi tiếng của Einstein, E = mc
2
, trong đó c là tốc độ ánh sáng. Trong phản ứng e
-
+ e
+
→
2γ, chẳng hạn, tưởng tượng cho đơn giản là electron và positron đang chuyển động rất chậm khi
chúng va chạm, nên chúng không có năng lượng khởi đầu nào đáng kể. Chúng ta đang bắt đầu

với khối lượng và không có năng lượng, và kết thúc với hai tia gamma có năng lượng nhưng
không có khối lượng. Phương trình E = mc
2
của Einstein cho chúng ta biết hệ số chuyển đổi giữa
khối lượng và năng lượng bằng với bình phương của tốc độ ánh sáng. Vì c là một số rất lớn, nên
năng lượng tiêu hao hoặc giải phóng bởi một phản ứng hóa học chỉ lộ ra phần thay đổi nhỏ xíu ở
khối lượng. Nhưng trong phản ứng hạt nhân, phản ứng có một lượng lớn năng lượng, sự thay đổi
khối lượng có thể nhiều lên tới một phần ngàn. Lưu ý là trong ngữ cảnh này, c không nhất thiết
là tốc độ của hạt nào. Chúng ta chỉ sử dụng giá trị bằng số của nó làm hệ số chuyển đổi. Cũng
nên lưu ý là E = mc
2
không có nghĩa là một vật có khối lượng m có động năng bằng với mc
2
, mà
năng lượng mô tả bởi phương trình E = mc
2
là năng lượng bạn có thể giải phóng nếu bạn phá hủy
một hạt và chuyển toàn bộ khối lượng của nó thành năng lượng, và năng lượng đó sẽ cộng thêm
với động năng hay thế năng mà vật có.
Bây giờ có phải chúng ta đã bị lừa lấy mất hai định luật bảo toàn hoàn hảo một cách tuyệt vời,
định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn năng lượng? Không, theo Einstein, đại lượng
bảo toàn là E + mc
2
, không phải riêng E cũng không phải riêng m. Đại lượng E + mc
2
được gọi
là khối lượng-năng lượng, và từ trước đến nay không hề có sự vi phạm nào đối với định luật bảo
toàn khối lượng-năng lượng được quan sát thấy. Trong đa số những tình huống thực tế, hoàn
toàn có thể xem khối lượng và năng lượng là những đại lượng bảo toàn độc lập.
Ngày nay, thật dễ dàng giải thích tại sao các proton đơn độc (hạt nhân hydrogen) được tìm thấy

trong tự nhiên, nhưng neutron người ta chỉ gặp ở bên trong hạt nhân, chứ không thấy riêng lẻ.
Trong quá trình n → p + e
-
+ v~, tổng khối lượng sau cùng nhỏ hơn khối lượng neutron, nên khối
lượng đã chuyển hóa thành năng lượng. Trong phân hủy beta của proton, p → n + e
+
+ n, khối
lượng sau cùng lớn hơn khối lượng ban đầu, nên cần phải cung cấp một số năng lượng để chuyển
hóa thành khối lượng. Một proton nằm trong một nguyên tử hydrogen không thể phân hủy, vì nó
không có nguồn cấp năng lượng. Chỉ những proton nằm bên trong hạt nhân có thể phân hủy, và
chỉ khi nào sự chênh lệch thế năng giữa hạt nhân ban đầu và hạt nhân mới gây ra sự giải phóng
năng lượng. Nhưng bất kì neutron đơn độc nào được tạo ra trong những phản ứng tự nhiên hoặc
nhân tạo đều sẽ phân hủy trong vòng khoảng vài giây, giải phóng một số năng lượng.
Phương trình E = mc
2
xuất hiện tự nhiên như là một phần của thuyết tương đối đặc biệt của
Einstein, chúng ta sẽ không nghiên cứu lí thuyết đó lúc này. Vấn đề chủ yếu ở đây chỉ là làm
sáng tỏ xem khối lượng đã biến đi đâu trong một số phản ứng hạt nhân mà chúng ta nói tới.
Hình v là một cách súc tích biểu diễn sự đa dạng của hạt nhân. Mỗi ô biểu diễn một số proton và
neutron nhất định. Ô màu đen là hạt nhân bền, tức là cần cung cấp năng lượng để làm biến đổi nó
thành hạt nhân khác. Ô màu xám là toàn bộ những hạt nhân không bền đã được nghiên cứu bằng
thực nghiệm. Một số hạt nhân này tồn tại trung bình hàng tỉ năm trước khi phân rã và đã được
tìm thấy trong tự nhiên, nhưng một số có thời gian sống trung bình ngắn hơn nhiều, và chỉ có thể
tạo ra và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

v/ Những hạt nhân đã biết, biểu diễn trên biểu đồ số proton theo số neutron. Lưu ý hai hạt nhân
ở hàng dưới cùng có không proton. Một hạt chỉ là một neutron đơn độc. Còn hạt kia là một cụm
bốn neutron. “Tetraneutron” này đã được báo cáo, gây bất ngờ, là một hệ liên kết thu được từ
một thí nghiệm năm 2002. Kết quả đó có thể gây tranh cãi. Nếu đúng, nó sẽ ngụ ý sự tồn tại của
một loại vật chất từ trước đến nay không biết, đó là giọt neutron, chúng ta có thể nghĩ đó là một

nguyên tử không có proton hay electron nào.
Đường cong mà các hạt nhân bền nằm dọc theo đó gọi là đường cong ổn định. Hạt nhân nằm dọc
theo đường này có tỉ lệ neutron trên proton bền vững nhất. Đối với hạt nhân nhẹ, sự pha trộn bền
nhất là khoảng 50 – 50, nhưng chúng ta có thể thấy những hạt nhân nặng bền có số neutron nhiều
hơn số proton hai hoặc ba lần. Đấy là do lực đẩy điện của tất cả các proton trong hạt nhân nặng
cộng lại thành một lực mạnh có xu hướng làm nó vỡ ra. Sự có mặt của một số lượng lớn neutron
làm tăng khoảng cách giữa các proton, và cũng làm tăng số lực hút do lực hạt nhân mạnh.
2.9 Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa
Là một người giảng dạy khoa học, tôi cảm thấy nản lòng khi không tìm thấy ở đâu trong số
lượng tạp chí khổng lồ đưa tin về thảm họa Chernobyl thật sự đưa ra sự trình bày bằng số về
lượng bức xạ mà người ta phải hứng chịu. Bất kì ai có khả năng hiểu được những thống kê thể
thao hay báo cáo thời tiết cũng đều phải có khả năng hiểu được những phép đo như thế, miễn là
một cái gì đó giống như đoạn thanh minh sau được xen vào đâu đó trong bài báo đó:
Sự phơi bức xạ được đo bằng đơn vị milirem. Một người trung bình hứng chịu khoảng 200
milirem mỗi năm từ các nguồn phóng xạ tự nhiên.
Với bối cảnh này, người ta có thể đi đến kết luận có tính am hiểu dựa trên những phát biểu như
“Trẻ em ở Phần Lan nhận lượng phóng xạ trung bình là ___ milirem trên mức phóng xạ tự nhiên
do thảm họa Cernobyl”.

w/ Một ngôi nhà bị bỏ hoang ở gần Chernobyl.

x/ Bản đồ biểu diễn mức bức xạ ở gần nơi xảy ra thảm họa Chernobyl. Tại ranh giới của những
khu vực bị ô nhiễm nặng nhất (vùng màu đỏ), người ta phải hứng chịu khoảng 1300
milirem/năm, hay gấp khoảng 4 lần mức phóng xạ tự nhiên. Trong khu vực màu hồng, bức xạ
vẫn còn dày đặc, sự phơi bức xạ có thể so sánh với mức tự nhiên tìm thấy ở một thành phố có độ
cao trên mực nước biển lớn như thành phố Denver.
Một milirem, hay 1mrem, tất nhiên là một phần ngàn của một rem, nhưng một rem là gì ? Nó đo
lượng năng lượng/kg gởi lên cơ thể bởi bức xạ ion hóa, nhân cho một “hệ số chất lượng” để tính
sự nguy hại cho sức khỏe gây ra bởi bức xạ alpha, beta, gamma, neutron hay những loại bức xạ
khác. Chỉ có bức xạ ion hóa được tính đến, vì bức xạ không ion hóa chỉ đơn giản làm nóng cơ

thể chứ không giết chết tế bào hay làm biến đổi DNA. Chẳng hạn, hạt alpha thường chuyển động
quá nhanh nên động năng của chúng đủ để làm ion hóa hàng ngàn nguyên tử, nhưng cũng có thể
có hạt alpha chuyển động quá chậm nên nó sẽ không có đủ động năng để làm ion hóa cả một
nguyên tử thôi.
Tuy nhiều người đã quen với hình ảnh về những kẻ khổng lồ dị thường, nhưng không có khả
năng cho một động vật đa bào “biến thái” như thế. Trong đa số trường hợp, một hạt của bức xạ
ion hóa sẽ không chạm tới DNA, và cho dù nó có chạm tới, thì nó sẽ chỉ ảnh hưởng tới DNA của
một tế bào đơn độc, chứ không phải mọi tế bào trong cơ thể động vật. Thông thường, tế bào đó
dễ dàng bị tiêu diệt, vì DNA đó không thể đảm nhận chức năng thích hợp nữa. Tuy nhiên, đôi
khi DNA bị biến đổi tạo nên tế bào ung thư. Chẳng hạn, ung thư da có thể do ánh sáng tử ngoại
chạm tới tế bào da trên cơ thể người tắm nắng gây ra. Nếu tế bào đó bị ung thư và bắt đầu sinh
sôi không có kiểm soát, người bệnh sẽ chết cùng với ung bướu hai mươi năm sau đó.
Ngoài ung thư, hiệu ứng kịch tính duy nhất khác nữa có thể gây ra từ sự biến đổi DNA của một
tế bào là nếu tế bào đó là tinh trùng hay trứng, thì nó có thể gây ra chứng vô sinh hoặc trẻ dị
dạng. Đàn ông tương đối miễn dịch với những tổn hại sinh sản do bức xạ gây ra, vì tế bào tinh
trùng của họ thường xuyên được thay thế. Phụ nữ dễ bị vô sinh hơn do họ giữ cùng một bộ
buồng trứng trong suốt quãng đời họ sống.
Một liều lượng 500.000 mrem chiếu lên toàn cơ thể người sẽ giết chết người đó trong vòng một
tuần hay tương đương khoảng thời gian đó. Thật may mắn, chỉ có một số ít người đã từng bị phơi
đến mức độ đó: một nhà khoa học làm việc ở Dự án Mahattan, một số nạn nhân của vụ nổ
Nagasaki và Hiroshima, và 31 công nhân tại Chernobyl. Cái chết xảy ra do hàng loạt tế bào bị
tiêu diệt, nhất là tế bào sản xuất máu của tủy xương.
Những mức thấp hơn, vào cỡ 100.000 mrem giáng lên một số người tại Nagasaki và Hiroshima.
Không có triệu chứng cấp tính nào gây ra từ mức độ hứng xạ này, nhưng những loại ung thư nhất
định đặc biệt phổ biến ở những người này. Ban đầu người ta cho rằng bức xạ gây ra nhiều đột
biến mang đến những dị tật khi sinh, nhưng rất ít tác dụng di truyền như thế được quan sát thấy.
Người ta đã mất rất nhiều thời gian tranh luận về ảnh hưởng của những mức độ rất thấp của bức
xạ ion hóa. Tia X dùng trong y khoa, chẳng hạn, có thể gây ra liều lượng phóng xạ vào cỡ 100
mrem, tức là thấp hơn hai lần mức phóng xạ nền bình thường. Liều lượng phóng xạ vượt quá
mức nền trung bình như thế có thể nhận được ở những người sống ở nơi có độ cao trên mực

nước biển lớn, hay những người có sự tập trung cao khí radon trong nhà họ. Thật không may
(hay may mắn, tùy theo cách bạn nhìn nhận nó), mức độ rủi ro do ung thư hay dị tật khi sinh có
nguyên nhân từ những mức độ hứng xạ này là cực kì nhỏ, và do đó hầu như không thể đo được.
Như đối với nhiều hóa chất bị nghi ngờ là gây ung thư, phương pháp thực tế duy nhất ước tính sự
rủi ro là cho các con vật trong phòng thí nghiệm hứng liều lượng phóng xạ lớn hơn nhiều bậc, và
rồi giả sử sự nguy hại cho sức khỏe tỉ lệ trực tiếp với liều lượng phóng xạ. Dưới những giả định
này, sự rủi ro do tia X nha sĩ sử dụng hay radon trong tường nhà là không đáng kể ở mức độ cá
nhân, và chỉ đáng kể dưới dạng sự tăng một chút tỉ lệ ung thư trong dân cư. Là một vấn đề của
chính sách xã hội, sự hứng chịu bức xạ quá mức không phải là một vấn đề sức khỏe chung quá to
tát so với tai nạn giao thông hay tệ hút thuốc lá.
Câu hỏi thảo luận
A. Có phải hệ số chất lượng đối với neutrino là rất nhỏ, vì chúng hầu như không tương tác với
cơ thể bạn ?
B. Có phải một nguồn phát hạt alpha có thể gây ra những loại ung thư khác nhau tùy thuộc vào
nguồn đó ở bên ngoài cơ thể hay nằm trong máu người bị nhiễm ? Còn nguồn phát tia gamma
thì sao ?