Tia gamma là gì?

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.

Ảnh chụp toàn bầu trời, xây dựng từ hai năm quan sát của Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA, cho thấy bầu trời trông như thế nào trong ánh sáng tia gamma. Ảnh: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Khám phá tia gamma

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.

Sơ đồ thể hiện toàn bộ phổ điện từ

Liệu pháp tia gamma

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