Viết bởi JK
Thứ tư, 25 Tháng 3 2015 17:33
Tia gamma là một dạng bức xạ điện từ, giống như sóng vô tuyến, bức
xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại, tia X và vi sóng. Tia gamma có thể được
dùng để điều trị ung thư, còn các vụ nổ tia gamma thì được nghiên cứu
bởi các nhà thiên văn học.
Bức xạ điện từ lan truyền dưới dạng sóng hoặc hạt ở những bước sóng
và tần số khác nhau. Vùng rộng bước sóng này được gọi là phổ điện từ.
Phổ điện từ thường được phân chia thành bảy vùng theo trật tự giảm dần
bước sóng và tăng dần năng lượng và tần số. Các vùng đó là sóng vô
tuyến, vi sóng, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, và tia
gamma.
Tia gamma rơi vào vùng phổ điện từ phía trên tia X mềm. Tia gamma có tần số lớn hơn khoảng 1018
Hz, và bước sóng nhỏ hơn 100 pico-mét (pm). (Một pico-mét là một phần
nghìn tỉ của một mét.) Chúng chiếm giữ chung vùng phổ điện từ với tia X
cứng. Khác biệt duy nhất giữa chúng là nguồn phát: tia X được tạo ra bởi
các electron đang gia tốc, còn tia gamma được tạo ra bởi các hạt nhân
nguyên tử.
Tia gamma lần đầu tiên được quan sát vào năm 1900 bởi nhà hóa học
người Pháp Paul Villard khi ông đang nghiên cứu bức xạ phát ra từ
radium, theo tư liệu NASA. Vài năm sau đó, nhà hóa học và vật lí học gốc
New Zealand, Ernest Rutherford, đề xuất tên gọi “tia gamma”, theo thứ
tự tia alpha và tia beta – tên gọi chỉ những hạt khác đã được quan sát
thấy từ bức xạ hạt nhân – và tên gọi tia gamma có từ đó.
Nguồn phát tia gamma
Tia gamma chủ yếu được tạo ra bởi bốn phản ứng hạt nhân khác nhau:
nhiệt hạch, phân hạch, phân rã alpha và phân rã gamma. Nhiệt hạch là
phản ứng cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao. Nó xảy ra trong
một quá trình nhiều bước trong đó bốn proton, hay hạt nhân hydrogen, bị
nén dưới nhiệt độ và áp suất cực cao để hợp nhất thành một hạt nhân
helium gồm hai proton và hai neutron. Hạt nhân helium thu được nhẹ hơn
bốn proton khoảng 0,7% khối lượng. Độ chênh lệch khối lượng đó biến đổi
thành năng lượng theo phương trình Einstein nổi tiếng E = mc2,
với khoảng hai phần ba năng lượng đó được phát ra dưới dạng tia gamma.
(Phần còn lại ở dạng neutrino, những hạt tương tác cực kì yếu với khối
lượng gần như bằng không.) Trong những giai đoạn cuối của cuộc đời của
một ngôi sao, khi nó cạn kiệt nhiên liệu hydrogen, nó có thể tạo ra các
nguyên tố mỗi lúc nặng hơn qua sự hợp nhất hạt nhân và trong đó có sắt,
nhưng những phản ứng này tạo ra một lượng năng lượng giảm dần ở từng
giai đoạn.
Một nguồn phát tia gamma quen thuộc khác là sự phân hạch. Phòng thí
nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Mĩ định nghĩa phân hạch là “sự phân
tách một hạt nhân nặng thành hai mảnh gần như bằng nhau (tức hạt nhân
của những nguyên tố nhẹ hơn), đồng thời giải phóng năng lượng tương đối
lớn ở dạng động năng của hai mảnh và ở dạng phát ra neutron và tia
gamma.” Trong quá trình này, các hạt nhân nặng, ví dụ uranium và
plutonium, bị vỡ thành những nguyên tố nhẹ hơn, ví dụ xenon và
strontium, trong các va chạm với các hạt khác. Những hạt thu được từ
những va chạm này sau đó có thể tác động lên những hạt nhân nặng khác,
thiết lập một phản ứng dây chuyền. Năng lượng được giải phóng bởi vì
tổng khối lượng của các hạt thu được nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân
nặng ban đầu. Độ chênh lệch khối lượng đó biến đổi thành năng lượng theo
công thức E = mc2 ở dạng động năng của những hạt nhân nhỏ hơn, neutrino và tia gamma.
Các nguồn phát tia gamma khác là phân rã alpha và phân rã gamma. Phân
rã alpha xảy ra khi một hạt nhân nặng giải phóng một hạt nhân helium-4,
giảm số nguyên tử của nó đi 2 và giảm trọng lượng nguyên tử của nó đi
4. Quá trình này có thể để lại hạt nhân với năng lượng thừa, và năng
lượng đó được phát ra dưới dạng tia gamma. Phân rã gamma xảy ra khi có
quá nhiều năng lượng trong hạt nhân của một nguyên tử, làm cho nó phát
ra tia gamma mà không làm biến đổi điện tích hay thành phần khối lượng
của nó.
Tia gamma thỉnh thoảng được dùng để điều trị các mô ung thư trong cơ
thể bằng cách phá hủy ADN của các tế bào mô đó. Tuy nhiên, liệu pháp đòi
hỏi sự thận trọng tuyệt đối bởi vì tia gamma cũng có thể phá hủy ADN
của các tế bào mô khỏe mạnh xung quanh. Một cách tăng tối đa liều lượng
cho các tế bào ung thư đồng thời giảm thiểu sự phơi xạ cho các mô khỏe
mạnh là chiếu trực tiếp nhiều chùm tia gamma từ một máy gia tốc thẳng
lên trên vùng mục tiêu từ nhiều hướng khác nhau. Đây là nguyên tắc hoạt
động của Dao mổ Cyber và Dao mổ Gamma.
Thiên văn học tia gamma
Một trong những nguồn phát tia gamma hấp dẫn hơn là các vụ nổ tia
gamma (GRB). Đây là những sự kiện năng lượng cực cao chỉ tồn tại trong
vài milli giây đến vài phút. Chúng lần đầu tiên được quan sát thấy vào
thập niên 1960, và ngày nay chúng được quan sát thấy ở đâu đó trên bầu
trời khoảng mỗi ngày một sự kiện.
“Trong một thời gian dài, người ta tin rằng GRB phải đến từ bên trong
thiên hà của chúng ta,” theo trang web của Đại học California. “Dường
như không có khả năng chúng ở xa xôi hơn nhiều – để một vụ nổ tia gamma
đến từ một thiên hà ở xa, nó sẽ phải hết sức mạnh mới giải thích được độ
sáng của nó mà người ta quan sát thấy.” Ngày nay, chúng ta biết rằng
phần lớn GRB thật sự đến từ các thiên hà ở xa hơn 100 triệu đến hàng tỉ
năm ánh sáng.
Theo Robert Patterson, giáo sư thiên văn học tại Đại học Missouri,
GRB từng được người ta cho là đến từ những giai đoạn sau của các lỗ đen
mini đang bốc hơi. Ngày nay, người ta tin rằng chúng phát sinh trong các
va chạm của các vật thể đậm đặc như các sao neutron. Các lí thuyết khác
gán những sự kiện này cho sự suy sụp của những ngôi sao siêu khối để
hình thành lỗ đen. Dù là trường hợp nào, các GRB có thể tạo ra đủ năng
lượng để, trong một vài giây đồng hồ, chúng có thể sáng hơn cả toàn bộ
thiên hà. Vì khí quyển của Trái đất chặn mất đa phần tia gamma, cho nên
các quan sát thường được tiến hành bằng các khí cầu bay lên cao và các
kính thiên văn trên quỹ đạo.
Nguồn: Jim Lucas – LiveScience
