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).

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

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

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

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

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

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 tế duy nhất ước tính sự
rủi ro là cho các con vật trong phòng thí nghiệm hứng liều lượng phóng xạ lớn hơn nhiều bậc, và
rồi giả sử sự nguy hại cho sức khỏe tỉ lệ trực tiếp với liều lượng phóng xạ. Dưới những giả định
này, sự rủi ro do tia X nha sĩ sử dụng hay radon trong tường nhà là không đáng kể ở mức độ cá
nhân, và chỉ đáng kể dưới dạng sự tăng một chút tỉ lệ ung thư trong dân cư. Là một vấn đề của
chính sách xã hội, sự hứng chịu bức xạ quá mức không phải là một vấn đề sức khỏe chung quá to
tát so với tai nạn giao thông hay tệ hút thuốc lá.
Câu hỏi thảo luận
A. Có phải hệ số chất lượng đối với neutrino là rất nhỏ, vì chúng hầu như không tương tác với
cơ thể bạn ?
B. Có phải một nguồn phát hạt alpha có thể gây ra những loại ung thư khác nhau tùy thuộc vào
nguồn đó ở bên ngoài cơ thể hay nằm trong máu người bị nhiễm ? Còn nguồn phát tia gamma
thì sao ?