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 . 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. 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