Khám phá Tia Gamma: Quyền năng Bí ẩn

Tia gamma là một phần của quang phổ điện từ, có bước sóng cực ngắn và tần số cực cao. Loài người đã từ lâu biết đến tia gamma và có khả năng sản xuất chúng.

Khám phá Sóng Điện Từ

Cuộc sống hàng ngày của chúng ta được bao quanh bởi sóng điện từ. Sóng điện từ truyền tải thông tin và năng lượng, điển hình là ánh sáng. Trong quang phổ điện từ, tia gamma là phần có bước sóng ngắn nhất và tần số cao nhất.

Sóng điện từ có đặc điểm quan trọng là bước sóng và tần số. Bước sóng càng dài, tần số càng nhỏ và ngược lại. Sóng điện từ có thể được sắp xếp từ dài đến ngắn: sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X và tia gamma.

Bước sóng của sóng vô tuyến và sóng dài là từ vài km đến milimét, trong khi bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng từ 760nm đến 380nm.

Bước sóng của tia gamma cực kỳ ngắn, là một phần của quang phổ điện từ có tần số cao nhất và mang theo năng lượng mạnh mẽ.

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

Mọi vật chất trên Trái đất đều rung động và do đó có tần số. Tần số là số lần mà 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 từ 3,9 x 10^14 đến 7,7 x 10^14Hz; dải tần của tia gamma là từ 10^12Hz đến 10^30Hz.

Để dễ tưởng tượng hơn, có thể so sánh kích thước của coronavirus, khoảng 100nm, với kích thước của dải tia gamma dài nhất chỉ là 0,1nm - nhỏ hơn gấp 1000 lần và có tần số cao hơn một nghìn tỷ lần mỗi giây. Do đó, tia gamma có thể được coi là 'ánh sáng' mạnh nhất trong vũ trụ, mặc dù nó không thể nhìn thấy và có thể gây tử vong cho con người.

Nguyên lý gây hại của tia gamma đối với sinh vật

Với bước sóng rất ngắn và năng lượng cực cao, tia gamma có khả năng xâm nhập vào bất kỳ sinh vật nào. Tất cả các sinh vật sống đều được cấu tạo bởi các tế bào, và DNA là cốt lõi của mỗi tế bào. Ví dụ, cơ thể con người chứa khoảng 40 đến 60 nghìn tỷ tế bào. Tế bào lớn nhất là tế bào trứng, với kích thước lên tới 200 μm (microns); tế bào nhỏ nhất là tiểu cầu, có đường kính chỉ khoảng 2 μm.

Khi tia gamma chiếu vào cơ thể con người, nó sẽ xâm nhập vào các tế bào và tương tác với chúng, gây hại cho các phân tử hữu cơ phức tạp trong tế bào và làm hỏng mô tế bào. DNA, chứa thông tin di truyền, là mục tiêu quan trọng nhất của tia gamma. Nếu DNA bị hỏng, sinh vật đó sẽ mất khả năng sống sót.

Chuỗi DNA có chiều dài khoảng 2m. Nếu kết hợp tất cả các chuỗi DNA trong tế bào con người, chúng có thể dài đến hơn 300 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời. Tuy nhiên, với đường kính chỉ 2nm, tia gamma có thể phá vỡ và làm hỏng cấu trúc của DNA, khiến sinh vật bị tử vong khi bị chiếu xạ.

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, chiếm 1/4 thể tích. Quá trình này bao gồm chuỗi phản ứng từ proti đến deuterium, sau đó là heli-3, và kết thúc với heli-4. Kết quả là sự kết hợp của bốn hạt nhân proti thành một hạt nhân heli-4, giải phóng các photon gamma, neutrino và positron trong quá trình này. Neutrino có thể thoát ra khỏi bề mặt Mặt Trời nhờ tốc độ siêu cấp, nhưng việc tia gamma vượt qua Mặt Trời không phải là điều dễ dàng.

Điều này liên quan đến lý thuyết về các photon trong Mặt Trời. Sự lan truyền của photon trong không khí là nhanh nhất, đạt 300.000 km/giây. Bên trong Mặt Trời có hàng triệu proton, và các photon tương tác với proton mỗi bước di chuyển của chúng, liên tục va chạm và trao đổi. Do đó, để các photon này xuyên qua Mặt Trời, chúng phải di chuyển qua khoảng cách 700.000 km và phải tương tác với khoảng 10^26 proton, điều này tốn hàng triệu năm. Do đó, ánh sáng Mặt Trời mà chúng ta nhìn thấy thực sự là photons sinh ra từ hàng triệu năm trước.

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 vào dải sóng 200 ~ 10.000nm, với đỉnh năng lượng ở 480nm, là màu xanh. Vì vậy, bầu trời và nước biển 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.

Do đó, có thể kết luận rằng con người đã sâu sắc hiểu biết và áp dụng nguyên lý của tia gamma từ lâu để mang lại lợi ích cho mình.