Các tia phóng xạ α, β, γ và phương trình phóng xạ

Ở bài trước của khoá học này, em đã dùng kí hiệu ᴬZX để mô tả một hạt nhân (Z proton và A−Z neutron), phân biệt đồng vị, và tính được độ hụt khối cùng năng lượng liên kết của một hạt nhân xác định (same-grade bridge). Bài này dùng đúng kí hiệu đó để mô tả điều gì xảy ra khi một hạt nhân như vậy không bền và tự biến đổi thành một hạt nhân khác.

**Phóng xạ** là hiện tượng một hạt nhân không bền tự phát ra tia phóng xạ và biến đổi thành một hạt nhân khác. Từ "tự phát" ở đây rất quan trọng: hạt nhân phóng xạ không cần một tác nhân bên ngoài nào kích hoạt, và ngược lại, ta cũng không thể làm nó phóng xạ nhanh hay chậm đi bằng cách đun nóng, nén ép hay thay đổi trạng thái hoá học của mẫu chứa nó — đây là điểm phân biệt rõ phản ứng hạt nhân với phản ứng hoá học thông thường, vốn luôn phụ thuộc nhiệt độ và chất xúc tác. Có ba loại tia phóng xạ chính. **Tia α** chính là hạt nhân heli, kí hiệu ⁴₂He, gồm 2 proton và 2 neutron, mang điện tích $+2e$. Vì khối lượng khá lớn so với hai loại tia còn lại, tia α bị vật chất cản rất mạnh: chỉ một tờ giấy hay vài xăng-ti-mét không khí đã đủ chặn hoàn toàn. **Tia β⁻** là một electron (kí hiệu ⁰₋₁e), sinh ra khi một neutron trong hạt nhân biến thành một proton; nó mang điện tích $-1e$ và đâm xuyên mạnh hơn tia α, cần một tấm nhôm dày vài milimét mới chặn được đáng kể. Một số hạt nhân giàu proton còn phát ra **tia β⁺** — hạt positron ⁰₊₁e, sinh ra khi một proton trong hạt nhân biến thành neutron — mang điện tích trái dấu với β⁻ nhưng đâm xuyên ở mức tương đương. **Tia γ** là sóng điện từ năng lượng rất cao (phôtôn), không mang điện, không có khối lượng nghỉ, nên đâm xuyên mạnh nhất trong ba loại — phải dùng tấm chì dày vài xăng-ti-mét mới chặn được phần lớn. Tia γ thường xuất hiện ngay sau một phóng xạ α hoặc β, vào lúc hạt nhân con vừa sinh ra còn ở trạng thái kích thích và cần giải phóng bớt năng lượng dư để trở về trạng thái cơ bản, chứ bản thân γ không làm đổi cả số khối lẫn điện tích của hạt nhân. Khi viết một phương trình phóng xạ ᴬZX → hạt nhân con + tia, có đúng hai định luật bảo toàn phải tuân theo: tổng số khối $A$ ở hai vế bằng nhau, và tổng điện tích (tức tổng số proton) $Z$ ở hai vế cũng bằng nhau. Áp dụng hai định luật đó cho từng loại tia, ta có: đối với phóng xạ α, hạt nhân con có số khối giảm 4 và điện tích giảm 2 so với hạt nhân mẹ (vì mất đi ⁴₂He); đối với phóng xạ β⁻, số khối giữ nguyên còn điện tích tăng thêm 1 (một neutron biến thành proton, hạt nhân con lùi lên một ô trong bảng tuần hoàn); đối với phóng xạ β⁺, số khối cũng giữ nguyên nhưng điện tích giảm đi 1. Ghi nhớ chỉ hai quy tắc này là đủ để viết hoặc kiểm tra bất kỳ phương trình phóng xạ nào, không cần thuộc lòng từng trường hợp. Xét một ví dụ quen thuộc: hạt nhân radi ²²⁶₈₈Ra (Z=88, A=226) phóng xạ α. Theo hai quy tắc trên, hạt nhân con có $A = 226-4=222$ và $Z=88-2=86$ — tra bảng tuần hoàn, nguyên tố có Z=86 chính là radon (Rn), nên phương trình đầy đủ là ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He. Đây chính là bước đầu tiên của một chuỗi phóng xạ tự nhiên rất nổi tiếng, trong đó radon tiếp tục phóng xạ α thêm nhiều lần nữa để cuối cùng biến thành chì bền — một hạt nhân mẹ có thể phải trải qua hàng chục lần biến đổi liên tiếp, mỗi lần theo đúng hai quy tắc bảo toàn trên, trước khi "dừng lại" ở một hạt nhân bền vĩnh viễn. Một tính chất đáng chú ý của tia β⁺ là hạt positron vừa sinh ra chỉ tồn tại rất ngắn ngủi: nó nhanh chóng va chạm với một electron bình thường trong môi trường xung quanh, cả hai "huỷ cặp" lẫn nhau và biến hoàn toàn thành hai phôtôn gamma bay ngược chiều nhau. Chính hiện tượng huỷ cặp này là nguyên lý hoạt động của kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) trong y tế hiện đại: một chất phóng xạ β⁺ được tiêm vào cơ thể, các cặp phôtôn gamma sinh ra từ huỷ cặp được máy dò ghi nhận từ hai phía đối diện, cho phép dựng lại hình ảnh ba chiều bên trong cơ thể mà không cần phẫu thuật.