Bài giảng Điện học (Phần 15)

Chia sẻ: Susu Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

2.10 Sự hình thành các nguyên tố Sự hình thành hydrogen và helium trong Big Bang Có phải mọi nguyên tố hóa học cấu thành nên chúng ta đều có nguồn gốc từ trong Big Bang ?

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điện học (Phần 15)

Bài giảng Điện học (Phần 15) 2.10 Sự hình thành các nguyên tố Sự hình thành hydrogen và helium trong Big Bang Có phải mọi nguyên tố hóa học cấu thành nên chúng ta đều có nguồn gốc từ trong Big Bang ? Nhi ệt độ trong những micro giây đầu tiên sau Big Bang là quá cao nên các nguyên tử và hạt nhân nói chung không thể giữ lại với nhau. Sau khi mọi thứ lạnh xuống đủ cho nguyên tử và hạt nhân tồn tại, có một thời kì khoảng chừng ba phút trong đó nhiệt độ và mật độ đủ cao cho sự nhiệt hạch xảy ra, nhưng không quá cao nên các nguyên tử có thể giữ lại với nhau. Chúng ta có được sự hiểu biết tốt và tường tận về các định luật vật lí áp dụng dưới những điều kiện này, nên các nhà lí thuyết có thể nói quả quyết rằng nguyên tố duy nhất nặng hơn hydrogen được tạo ra với số lượng đáng kể là helium. Chúng ta là bụi sao Trong trường hợp đó, mọi nguyên tố hóa học có từ đâu ? Các nhà thiên văn đã tiến gần tới câu trả lời. Bằng cách nghiên cứu sự kết hợp của những bước sóng ánh sáng, gọi là quang phổ, phát ra từ những ngôi sao khác nhau, họ đã có thể xác định loại nguyên tử mà chúng chứa. (Chúng ta sẽ nói nhiều hơn về quang phổ ở phần cuối cuốn sách này). Họ nhận thấy các sao chia ra làm hai loại. Một loại hầu
như 100% là hydrogen và helium, còn loại kia chứa 99% hydrogen và helium và 1% các nguyên tố khác. Họ giải thích đây là hai thế hệ sao. Thế hệ thứ nhất hình thành từ những đám khí còn mới nguyên từ Big Bang, và thành phần của chúng phản ánh thành phần của vũ trụ sơ khai. Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, mà nhờ đó chúng chiếu sáng, chỉ làm tăng tỉ lệ tương đối của helium so với hydrogen, chứ không tạo ra bất kì nguyên tố nặng hơn nào. y/ Tinh vân Con Cua là tàn dư của một vụ nổ sao siêu mới. Hầu như mọi nguyên tố cấu thành nên hành tinh của chúng ta có nguồn gốc từ những vụ nổ như thế. Tuy nhiên, những thành viên thuộc thế hệ thứ nhất mà chúng ta thấy ngày nay chỉ là những thành viên đã sống một thời gian lâu dài. Những ngôi sao nhỏ bủn xỉn với nhiên liệu của chúng hơn so với những ngôi sao lớn, chúng có thời gian
sống ngắn. Những ngôi sao lớn thuộc thế hệ thứ nhất vừa hoàn tất cuộc đời của chúng. Gần cuối quãng thời gian sống của nó, ngôi sao cạn kiệt hydrogen và chịu một loạt sự tái cấu trúc dữ dội và ngoạn mục khi nó làm tan chảy những nguyên tố ngày càng nặng hơn. Những ngôi sao rất lớn kết thúc chuỗi sự kiện này bằng sự bùng nổ sao siêu mới, trong đó một số vật chất của chúng bị ném vào không gian, còn phần còn lại thì đổ sập lại thành một đối tượng kì lạ, như lỗ đen hay sao neutron. Thế hệ sau thứ hai, trong số đó Mặt Trời của chúng ta là một ví dụ, cô đặc từ những đám mây khí đã được làm giàu thêm những nguyên tố nặng do sự bùng nổ sao siêu mới. Đó là những nguyên tố nặng cấu tạo nên hành tinh của chúng ta và cơ thể của chúng ta. Sự tổng hợp nhân tạo các nguyên tố nặng Các nguyên tố lên tới uranium, số nguyên tử 92, được tạo ra bởi những quá trình thiên văn này. Cao hơn số nguyên tử đó, lực đẩy điện của các proton tăng lên dẫn tới chu kì bán rã càng ngắn lại. Cho dù một sao siêu mới một tỉ năm trước đây thật sự đã tạo ra một số lượng của một nguyên tố như berkelium, số nguyên tử 97, nhưng nó không còn gì trong lớp vỏ Trái Đất ngày nay. Những nguyên tố nặng nhất đều được tạo ra bằng những phản ứng nhiệt hạch nhân tạo trong các máy gia tốc. Như vào năm 2006, nguyên tố nặng nhất được tạo ra là nguyên tố 116. [Một khẳng định trước đó đã tạo ra được nguyên tố 116 do một nhóm tại Berbeley công bố hóa ra là một trò gian lận khoa học, nhưng nguy ên tố đó sau đó đã được tạo ra bởi một nhóm khác, tại Dubna, Nga].
z/ Cấu tạo của máy gia tốc UNILAC ở Đức, một trong những máy được sử dụng cho thí nghiệm tạo ra những nguyên tố rất nặng. Trong một thí nghiệm như thế, sản phẩm nhiệt hạch nảy trở lại qua một dụng cụ gọi là SHIP (không có trong hình) tách chúng ra dựa trên tỉ số điện tích trên khối lượng của chúng – về cơ bản, nó chỉ là một mẫu quy mô lớn của thiết bị của Thomson. Một thí nghiệm tiêu biểu hoạt động trong vài tháng, và sản phẩm của hàng tỉ phản ứng nhiệt hạch sinh ra trong thời gian này, chỉ một hoặc hai có thể mang lại sự sản sinh các nguyên tố siêu nặng. Trong phần còn lại, hạt nhân tan chảy vỡ tan ngay tức thì. SHIP được dùng để nhận dạng số lượng nhỏ phản ứng “tốt” và tách chúng ra khỏi toàn cảnh dữ dội này. Mặc dù việc tạo ra một nguyên tố mới, tức là một nguyên tử có số proton mới lạ, về phương diện lịch sử đã được xem là một thành tựu đầy quyến rũ, nhưng
đối với nhà vật lí hạt nhân, việc tạo ra một nguyên tử có số neutron cho đến nay không ai thấy cũng có tầm quan trọng không kém. Số neutron lớn nhất đạt được từ trước đến nay là 179. Một mục tiêu trêu ngươi của loại nghiên cứu này là tiên đoán lí thuyết có thể có một ốc đảo ổn định nằm ngoài chóp biểu đồ hạt nhân đã được khảo sát tỉ mỉ trước đây, đã nói tới trong phần 2.8. Giống hệt như số lượng electron nhất định đã đưa tới sự ổn định hóa tính của các chất khí trơ (helium, neon, argon…), số lượng neutron và proton nhất định cũng đưa tới sự sắp xếp ổn định đặc biệt của các quỹ đạo. Những tính toán lùi lại thập niên 1960 cho biết có thể có hạt nhân tương đối bền có khoảng 114 proton và 184 neutron. Các đồng vị của nguyên tố 114 và 116 đã được tạo ra trước đây có chu kì bán ra trong ngưỡng giây hoặc mili giây. Giá trị này không thể xem là rất lâu, nhưng thời gian sống trong ngưỡng micro giây thì điển hình hơn đối với các nguyên tố siêu nặng đã được khám phá trước đây. Còn có suy đoán cho rằng những đồng vị siêu nặng nhất định sẽ đủ bền để được tạo ra với số lượng chẳng hạn cân được hay dùng trong các phản ứng hóa học. Bài giảng Điện học (Phần 14)
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 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 ?