Bức xạ – Các dạng và loại nguồn

Bức xạ tạo ra khi năng lượng được phát từ một nguồn, sau đó truyền qua một môi trường, như không khí, cho đến khi bị vật chất hấp thụ. Bức xạ về cơ bản được mô tả là một trong hai loại: không ion hóa và ion hóa.

Bức xạ không ion hóa

Con người từ lâu đã sử dụng và tiếp xúc với các nguồn bức xạ không ion hóa mỗi ngày. Dạng bức xạ này không mang đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử hoặc phân tử. Lò vi sóng, hệ thống định vị toàn cầu, điện thoại di động, cột phát song từ đài truyền hình, đài FM và AM, màn hình TV, điện thoại không dây, chìa khóa từ mở cửa…đều sử dụng bức xạ không ion hóa. Các dạng bức xạ không ion hóa khác bao gồm từ trường của trái đất và từ trường từ đường dây tải điện, hệ thống dây điện gia dụng và thiết bị điện. Chúng được định nghĩa là sóng tần số cực thấp (ELF).

Bức xạ ion hóa

Một số loại bức xạ có đủ năng lượng để chúng có thể đánh bật các electron ra khỏi quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử, làm đảo lộn cân bằng electron/proton và mang lại cho nguyên tử điện tích dương. Các phân tử, nguyên tử mang điện được gọi là ion. Bức xạ có thể tạo ra các ion đó được gọi là bức xạ ion hóa. Có nhiều loại bức xạ ion hóa:

Bức xạ anpha: Bức xạ alpha gồm hai proton và hai neutron. Vì chúng không có electron nên chúng mang điện tích dương. Do tính chất về kích thước và điện tích, các hạt alpha hầu như không thể xuyên qua da và có thể bị chặn lại hoàn toàn bởi một tờ giấy.

Bức xạ beta: Bức xạ beta bao gồm các electron chuyển động nhanh thoát ra từ hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ beta mang điện tích âm và có kích thước bằng khoảng 1/7000 kích thước của hạt alpha, vì vậy nó có khả năng đâm xuyên tốt hơn. Tuy nhiên, bức xạ beta vẫn có thể được ngăn chặn bằng một lượng vật chất nhỏ, chẳng hạn như một tấm nhựa.

Bức xạ gamma: Bức xạ gamma là loại bức xạ có khả năng đâm xuyên cao. Nó thường được phát ra ngay sau khi phóng hạt alpha hoặc beta từ hạt nhân nguyên tử. Bởi vì bức xạ gamma không có khối lượng hoặc điện tích, nên có thể đi xuyên qua cơ thể con người, nhưng bị hấp thụ bởi các vật liệu có mật độ cao, chẳng hạn như bê tông hoặc chì.

Tia X: Tia X là một dạng bức xạ tương tự như bức xạ gamma, nhưng chúng được tạo ra chủ yếu bằng phương pháp nhân tạo chứ không phải từ các chất phóng xạ.

Bức xạ nơtron: Bức xạ neutron xảy ra khi neutron bị đẩy ra khỏi hạt nhân do phân hạch hạt nhân và các quá trình khác. Phản ứng dây chuyền hạt nhân là một ví dụ về phản ứng phân hạch hạt nhân, trong đó một neutron bị bắn ra từ một nguyên tử bị phân hạch khiến một nguyên tử khác phân hạch, giải phóng nhiều neutron hơn. Không giống như các bức xạ khác, bức xạ neutron được hấp thụ bởi các vật liệu có nhiều nguyên tử hydro, như sáp parafin và nhựa.

Nguồn bức xạ ion hóa

Con người thường xuyên tiếp xúc với lượng nhỏ bức xạ ion hóa từ môi trường khi làm việc và sinh hoạt, được gọi là bức xạ nền. Bên cạnh đó, con người cũng bị phơi nhiễm thông qua một số quá trình điều trị y tế (chụp X-quang, CT, xạ hình, xạ trị,…) và các hoạt động liên quan đến chất phóng xạ. Trên thực tế, sự sống ngay từ khi bắt đầu đã phát triển trong một thế giới chứa mức bức xạ ion hóa đáng kể. Cơ thể con người, động thực vật đã thích nghi với nó. Ủy ban khoa học của Liên hợp quốc về tác động của bức xạ nguyên tử (UNSCEAR) xác định bốn nguồn chính khiến công chúng tiếp xúc với bức xạ tự nhiên: Bức xạ vũ trụ, bức xạ từ đất, bức xạ từ việc ăn uống và bức xạ từ nguồn khí hít phải.

Bầu khí quyển của trái đất liên tục bị bắn phá bởi bức xạ vũ trụ. Thông thường, bức xạ vũ trụ bao gồm các hạt chuyển động nhanh tồn tại trong không gian và bắt nguồn từ nhiều nguồn khác nhau, như mặt trời và các thiên thể khác trong vũ trụ. Các tia vũ trụ chủ yếu là các proton, nhưng có thể là các hạt khác hoặc năng lượng sóng. Một số bức xạ ion hóa thâm nhập vào bầu khí quyển của trái đất và bị con người hấp thụ, dẫn đến phơi nhiễm bức xạ tự nhiên. Liều lượng do các nguồn bức xạ tự nhiên khác nhau tùy thuộc vào vị trí và thói quen mà con người hoạt động. Các khu vực ở độ cao cao hơn nhận được nhiều bức xạ vũ trụ hơn. Bản đồ sau đây cho thấy mức độ bức xạ vũ trụ thay đổi như thế nào theo độ cao so với mực nước biển và kinh độ và vĩ độ ở Bắc Mỹ.

Thành phần của vỏ trái đất là nguồn bức xạ tự nhiên chiếm chủ yếu. Những yếu tố đóng góp chính là các mỏ uranium, kali và thorium tự nhiên, trong quá trình phân rã tự nhiên, giải phóng một lượng nhỏ bức xạ ion hóa. Uranium và thorium “có mặt khắp nơi”, nghĩa là về cơ bản chúng được tìm thấy ở khắp mọi nơi. Dấu vết của các khoáng chất này cũng được tìm thấy trong vật liệu xây dựng, vì vậy việc tiếp xúc với bức xạ tự nhiên hoàn toàn có thể xảy ra trong nhà cũng như ngoài trời.

Hầu hết sự thay đổi khi tiếp xúc với bức xạ tự nhiên là do hít phải khí phóng xạ được tạo ra bởi các khoáng chất phóng xạ trong đất và đá. Radon là một loại khí phóng xạ không mùi và không màu được tạo ra từ sự phân rã của uranium-238. Nó là một loại khí trơ, có nghĩa là không phản ứng với vật chất xung quanh. Bởi vì radon không phản ứng, nên có thể dễ dàng di chuyển lên trên mặt đất và vào bầu khí quyển. Thoron là một loại khí phóng xạ do thorium tạo ra. Mức radon và thoron thay đổi đáng kể theo vị trí tùy thuộc vào thành phần của đất và đá. Sau khi đi vào không khí, những khí này thường loãng đến mức vô hại trong khí quyển, nhưng đôi khi chúng bị giữ lại và tích tụ bên trong các tòa nhà dân sinh. Khí radon gây rủi ro sức khỏe không chỉ cho những người khai thác uranium mà còn cho công chúng bình thường nếu nó tích tụ lượng đủ lớn trong nhà. Tính trung bình, Radon là nguồn phơi nhiễm phóng xạ tự nhiên lớn nhất.

Thông thường, lượng nhỏ khoáng chất phóng xạ hoàn toàn có thể được tìm thấy tự nhiên trong thực phẩm và nước uống. Ví dụ, rau thường được trồng trong đất và nước ngầm có chứa khoáng chất phóng xạ. Sau khi ăn vào, các khoáng chất này dẫn đến sự tiếp xúc bên trong với bức xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên, chẳng hạn như kali-40 và carbon-14, có cùng tính chất hóa học và sinh học như các đồng vị không phóng xạ của chúng. Những nguyên tố phóng xạ và không phóng xạ này được sử dụng để phát triển và duy trì cơ thể con người. Bảng dưới đây xác định lượng phóng xạ từ kali-40 chứa trong khoảng 500 gam sản phẩm thực phẩm khác nhau. Một becquerel là một đơn vị phóng xạ, bằng một lần biến đổi (phân rã) mỗi giây.

Nguồn bức xạ nhân tạo

Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân từ cuối Thế chiến thứ hai cho đến cuối năm 1980 đã giải phóng lượng lớn các chất phóng xạ vào không khí, được gọi là bụi phóng xạ. Bụi phóng xạ lắng xuống mặt đất. Phần lớn bụi phóng xạ có thời gian bán hủy ngắn và không còn tồn tại, nhưng một số vẫn tiếp tục phân rã cho đến ngày nay. Cho đến nay, con người và môi trường nhận được liều lượng ngày càng nhỏ từ bụi phóng xạ mỗi năm. Bên cạnh đó, bức xạ có nhiều công dụng trong y học. Việc sử dụng được biết đến nhiều nhất là trong các máy X-quang, xạ hình chẩn đoán bệnh trong y học hạt nhân.

Bức xạ có nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghiệp, từ máy đo hạt nhân đến máy đo mật độ đo dòng vật chất qua đường ống trong các nhà máy. Bức xạ cũng được sử dụng trong máy dò khói và một số biển báo thoát hiểm phát sáng trong bóng tối, ước tính trữ lượng trong các mỏ dầu. Bức xạ cũng được sử dụng để khử trùng trong đó sử dụng các máy chiếu xạ lớn.

Các nhà máy điện hạt nhân (NPP) sử dụng uranium để thúc đẩy phản ứng dây chuyền tạo ra hơi nước, từ đó làm quay tua-bin để sản xuất điện. Là một phần trong hoạt động thông thường, NPP giải phóng các chất phóng xạ ở mức độ quy định. Tương tự như vậy, các mỏ uranium, nhà máy sản xuất nhiên liệu và cơ sở xử lý chất thải phóng xạ giải phóng một số chất phóng xạ góp phần gây ra liều lượng cho công chúng.

Con người có rất ít khả năng thay đổi hoặc giảm bức xạ ion hóa đến từ các nguồn tự nhiên như mặt trời, đất hoặc đá. Loại rủi ro này, mặc dù không bao giờ hoàn toàn không có rủi ro, nhưng nhìn chung là khá thấp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các nguồn phóng xạ tự nhiên, chẳng hạn như khí radon trong nhà, có thể cao đến mức không thể chấp nhận được và cần phải giảm bớt. Bức xạ ion hóa đến từ các nguồn và hoạt động nhân tạo được kiểm soát cẩn thận hơn. Trong những bối cảnh này, sự cân bằng được tạo ra giữa lợi ích mà bức xạ mang lại cho xã hội và rủi ro mà nó gây ra cho con người và môi trường. Giới hạn liều lượng được thiết lập để hạn chế phơi nhiễm phóng xạ cho cả công nhân và người dân. Ngoài ra, những người được cấp phép được yêu cầu giữ tất cả các liều bức xạ ở mức thấp nhất có thể đạt được một cách hợp lý (ALARA), có tính đến các yếu tố kinh tế và xã hội.