BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN - NGÀNH VẬT LÝ Y KHOA

Đóng góp của Vật lý hạt nhân trong cuộc sống hằng ngày

Vật lý hạt nhân, ngành nghiên cứu các tính chất của hạt nhân nguyên tử, đã có những đóng góp mang tính đột phá cho cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ y học và sản xuất năng lượng đến nông nghiệp, công nghiệp và khảo cổ học. Từ các cơ sở nghiên cứu cơ bản quy mô lớn như máy gia tốc hạt và lò phản ứng nghiên cứu cho đến các viện nghiên cứu và trường đại học, các nhà khoa học đã và đang khám phá các tính chất cơ bản của hạt nhân và các ứng dụng khác nhau của nó. Trong bài viết này chúng ta sẽ khám phá cách mà Vật lý hạt nhân đã đóng góp cho cuộc sống hằng ngày của chúng ta.

1.Vật lý y khoa

Hình ảnh máy PET-CT

Các kỹ thuật chẩn đoán sử dụng Vật lý hạt nhân đã cách mạng hóa y học thông qua việc phát triển và sử dụng các đồng vị phóng xạ và bức xạ. Đồng vị phóng xạ được sử dụng trong các kỹ thuật chẩn đoán như chụp cắt lớp đơn photon (SPECT) và chụp cắt lớp bằng đồng vị phát positron (PET). Xạ hình SPECT sử dụng tia gamma phát ra từ một chất đánh dấu phóng xạ để tạo ra hình ảnh 3D chi tiết của các cơ quan và mô, trong khi chụp cắt lớp PET sử dụng các chất đánh dấu phát ra positron để hình dung các quá trình trao đổi chất trong cơ thể. Các phương pháp chụp ảnh không phóng xạ như chụp cắt lớp điện toán (CT) và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) cũng vận dụng các hiểu biết và kỹ thuật từ Vật lý hạt nhân và đóng góp quan trọng vào việc chẩn đoán y khoa. Những kỹ thuật hình ảnh tiên tiến này cung cấp những thông tin quan trọng về hoạt động bên trong của cơ thể con người và hỗ trợ các bác sĩ phát hiện và điều trị bệnh hiệu quả hơn.

Liệu pháp xạ trị là một phương pháp điều trị phổ biến cho ung thư bằng việc sử dụng bức xạ năng lượng cao để tiêu diệt các tế bào ung thư trong khi giảm thiểu tổn thương cho các mô lành. Có nhiều hình thức xạ trị khác nhau, bao gồm liệu pháp xạ trị chùm tia bên ngoài, sử dụng một thiết bị để hướng tia xạ vào khối u từ bên ngoài cơ thể, và liệu pháp xạ trị cận lâm sàng, đặt các nguồn phóng xạ trực tiếp vào hoặc gần khối u. Bằng cách điều chỉnh loại và cường độ bức xạ, các kỹ sư y khoa có thể tối ưu hóa kế hoạch điều trị để tối đa hóa việc tiêu diệt tế bào ung thư và giảm thiểu tác dụng phụ.

Sự phát triển của công nghệ máy gia tốc cũng dẫn đến sự ra đời của xạ trị proton và ion nặng. Đây là phương pháp điều trị ung thư tiên tiến sử dụng proton và hạt ion nặng mang năng lượng cao để tiêu diệt các khối u và giảm thiểu tổn thương cho các mô lành xung quanh.

Kinh nghiệm đạt được trong việc sản xuất và xử lý các đồng vị phóng xạ tại các cơ sở nghiên cứu hạt nhân đã mở đường cho các máy gia tốc nhỏ hơn và các phương pháp sản xuất đồng vị phóng xạ mới như các máy cyclotron sản xuất đồng vị có kích thước nhỏ, giúp cho các công nghệ này dễ tiếp cận hơn cho các ứng dụng y tế.

2. Sản xuất năng lượng

Năng lượng hạt nhân đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất điện, với các nhà máy điện hạt nhân khai thác năng lượng được giải phóng trong quá trình phân hạch hạt nhân của uranium để sản xuất nhiệt, sau đó chuyển đổi thành điện. Quá trình này tạo ra một lượng điện đáng kể với rất ít khí thải nhà kính, khiến năng lượng hạt nhân trở thành một công cụ quan trọng trong việc chống lại biến đổi khí hậu. Ngoài ra, các nhà máy điện hạt nhân có lợi thế cung cấp năng lượng liên tục và đáng tin cậy, không bị phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.

Hình ảnh máy lò phản ứng nhiệt hạch ITER

Các nhà khoa học cũng đang khám phá tiềm năng của phản ứng hợp hạch hạt nhân, một quá trình tạo năng lượng từ việc kết hợp các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, như một nguồn năng lượng. Quá trình này có tiềm năng cung cấp một nguồn năng lượng gần như vô tận, với rất ít chất thải phóng xạ, an toàn và không có khí thải carbon. Nghiên cứu phản ứng hợp hạch hạt nhân hiện tập trung vào việc phát triển các lò phản ứng thử nghiệm như ITER, nhằm chứng minh tính khả thi của năng lượng hợp hạch cho việc sản xuất điện quy mô lớn. Nếu thành công, phản ứng hợp hạch hạt nhân có thể cách mạng hóa tình trạng năng lượng toàn cầu.

3. Ứng dụng công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, bức xạ có nguồn gốc từ hạt nhân được sử dụng để thay đổi cấu trúc vật liệu, như các đặc tính vật lý và hóa học của chúng, tạo ra các vật liệu mới với đặc tính được cải thiện. Các bức xạ còn có thể dùng để khử trùng thiết bị, giúp đảm bảo an toàn và kéo dài thời hạn sử dụng. Các kỹ thuật kiểm tra không hủy mẫu (NDT) sử dụng bức xạ hạt nhân giúp phát hiện rò rỉ và đo các thông số như độ dày và mật độ của vật liệu và thiết bị sử dụng trong công nghiệp mà không gây ảnh hưởng nhiều đến quá trình vận hành chúng. Ngoài ra các phương pháp đo lường dựa trên bức xạ hạt nhân có thể dùng để kiểm soát chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất công nghiệp. Ví dụ, đo độ ẩm trong quá trình sản xuất giấy, đo độ dày của vật liệu trong sản xuất thép, hoặc đo tỷ lệ hòa tan của vật liệu trong quá trình sản xuất thuốc.

Hình ảnh máy kiểm tra vật liệu (nguồn: https://safetyculture.com/)

Đồng vị phóng xạ có thể dùng như chất đánh dấu trong nhiều quy trình công nghiệp, từ thăm dò dầu khí đến theo dõi dòng chảy vật liệu trong sản xuất. Trong ngành công nghiệp dầu khí và khí đốt, các đồng vị phóng xạ có thể được bơm vào giếng để giúp xác định kích thước và hình dạng của các mỏ dầu, cũng như theo dõi dòng chảy của chất lỏng qua ống và giám sát để phát hiện rò rỉ. Trong sản xuất, các chất đánh dấu phóng xạ có thể được sử dụng để nghiên cứu dòng chảy của vật liệu qua các dây chuyền sản xuất, giúp tối ưu hóa hiệu quả và xác định điểm nghẽn.

4. Ứng dụng nông nghiệp

Bức xạ hạt nhân đã đóng góp vào nông nghiệp bằng cách cải thiện các giống cây trồng, tăng năng suất lương thực và bảo vệ môi trường. Thông qua việc lai tạo đột biến sử dụng bức xạ, các nhà khoa học có tạo ra những thay đổi di truyền có lợi cho cây trồng, dẫn đến cây trồng có khả năng chịu đựng, năng suất hơn và nhiều tính trạng có lợi khác. Bên cạnh đó, kỹ thuật tiệt sinh côn trùng (SIT) sử dụng bức xạ để triệt sản côn trùng đực, sau đó thả ra ngoài tự nhiên để giao phối với côn trùng cái, giảm tổng số lượng sâu hại nông nghiệp và giảm nhu cầu về thuốc trừ sâu hóa học độc hại.

Đồng vị phóng xạ cũng được sử dụng như chất đánh dấu để nghiên cứu việc hấp thu dinh dưỡng, di chuyển nước và các quá trình quan trọng khác trong hệ sinh thái nông nghiệp. Bằng cách cung cấp thông tin chi tiết về những tương tác phức tạp giữa thực vật, đất, nước và sâu bệnh, vật lý hạt nhân đang giúp đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu và thúc đẩy các thực hành nông nghiệp bền vững.

5. Khảo cổ học

Thông qua kỹ thuật định tuổi bằng carbon phóng xạ, đồng vị phóng xạ như carbon-14 đóng một vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu lịch sử loài người bằng cách cho phép các nhà khoa học xác định niên đại các mẫu khảo cổ và xác thực các tác phẩm nghệ thuật và hiện vật. Bằng cách đo tỷ lệ carbon-14 so với carbon-12 trong một mẫu, các nhà khoa học có thể xác định khoảng thời gian đã trôi qua kể từ khi sinh vật chết, giúp cung cấp khung thời gian cho các sự kiện lịch sử và sự phát triển văn hóa.

Vật lý hạt nhân cũng đóng vai trò quan trọng trong các kỹ thuật định tuổi khác, chẳng hạn như định tuổi bằng phương pháp phát quang nhiệt và định tuổi uranium-thori. Định tuổi bằng phương pháp phát quang nhiệt được sử dụng để xác định tuổi của đồ gốm và các vật liệu đã bị đốt khác bằng cách đo liều bức xạ tích lũy kể từ khi đồ vật được làm nóng lần cuối. Định tuổi uranium-thori đặc biệt hữu ích cho việc định tuổi các vật liệu vượt ra ngoài phạm vi định tuổi bằng carbon-14, chẳng hạn như hình thành hang động và trầm tích biển, cung cấp thông tin quan trọng về khí hậu và môi trường trong quá khứ.

6. Ứng dụng không gian

Nguồn năng lượng hạt nhân như máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) được sử dụng trong tàu vũ trụ và xe tự hành để cung cấp năng lượng ở những môi trường mà năng lượng mặt trời có thể không có sẵn, chẳng hạn như các hành tinh bên ngoài hoặc mặt tối của mặt trăng. RTG tạo ra điện bằng cách chuyển đổi nhiệt được tạo ra từ quá trình phân rã phóng xạ của các đồng vị phóng xạ, như plutonium-238, thành điện thông qua các vật liệu nhiệt điện. Nguồn năng lượng đáng tin cậy và có thời hạn bền lâu này đã đóng vai trò quan trọng trong các sứ mệnh như Voyager, Mars Rover và tàu New Horizons.

Hình ảnh vệ tinh New Horizons và thiết bị TRG (màu đen)

Nghiên cứu tại các cơ sở vật lý hạt nhân quy mô lớn đã dẫn đến sự phát triển của các kỹ thuật che chắn bức xạ, bảo vệ vệ tinh và các thiết bị không gian khỏi các tác hại của bức xạ không gian. Bằng cách hiểu cơ chế hư hại do bức xạ gây ra và phát triển các chiến lược để giảm thiểu các tác động này, các nhà khoa học có thể đảm bảo chức năng và độ tin cậy lâu dài của các hệ thống không gian, hàng không, vũ trụ quan trọng. Bên cạnh đó, các kỹ thuật che chắn bức xạ cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hạn chế các bức xạ vũ trụ cho các thí nghiệm cần độ chính xác cao ở mặt đất.

7. Kiểm tra an ninh

Bức xạ có nguồn gốc từ hạt nhân và nguyên tử được sử dụng rộng rãi để quét hành lý, container vận chuyển và các vật liệu khác để phát hiện các chất và thiết bị bất hợp pháp và nguy hiểm, giúp cải thiện an ninh và giảm nguy cơ buôn lậu. Các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến sử dụng tia X và tia gamma, cung cấp các thông tin chi tiết và không xâm lấn về nội dung của các đối tượng được quét, giúp xác định vũ khí, chất nổ và hàng buôn lậu.

8. Khoa học địa chất và môi trường

Đồng vị phóng xạ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khoa học địa chất và môi trường, từ nghiên cứu các quá trình địa chất đến theo dõi các nguồn ô nhiễm. Bằng cách đo tỷ lệ đồng vị trong đá, các nhà khoa học có thể tìm hiểu về tuổi và nguồn gốc của các hình thành địa chất, cung cấp thông tin về lịch sử của Trái đất. Đánh dấu đồng vị phóng xạ cũng có thể được sử dụng để theo dõi sự di chuyển của chất ô nhiễm trong hệ sinh thái, hỗ trợ phát triển các chiến lược khắc phục ô nhiễm môi trường hiệu quả. Đồng vị phóng xạ được dùng để đo mức độ ô nhiễm, di chuyển nước ngầm, phá rừng và các yếu tố môi trường khác. Những công cụ này cũng giúp các nhà khoa học nghiên cứu biến đổi khí hậu và phát triển các chiến lược quản lý chất thải hiệu quả.

Quản lý chất thải hạt nhân là một khía cạnh quan trọng nhằm đảm bảo việc thải bỏ an toàn và có trách nhiệm các vật liệu phóng xạ. Các nhà nghiên cứu đang làm việc với các kỹ thuật tiên tiến cho việc thải bỏ chất thải, chẳng hạn như các kho chứa địa chất sâu và phân tách và biến đổi, nhằm giảm độc tính phóng xạ lâu dài và thể tích chất thải hạt nhân.

9. Công nghệ lượng tử

Nghiên cứu cơ bản vật lý hạt nhân đang thúc đẩy ranh giới của công nghệ lượng tử, bao gồm thông tin lượng tử, máy tính lượng tử và đồng hồ hạt nhân. Những tiến bộ này có tiềm năng cách mạng hóa các lĩnh vực như máy tính, mật mã và định thời chính xác. Ví dụ, máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề phức tạp mà hiện tại máy tính cổ điển không thể giải quyết được, trong khi đồng hồ hạt nhân có thể cung cấp định thời chính xác ở mức siêu cao để sử dụng cho các ứng dụng như hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và nghiên cứu vật lý cơ bản.

Máy tính lượng tử Sycamore của Google

10. Giáo dục và hợp tác

Các cơ sở vật lý hạt nhân quy mô lớn là nguồn cung cấp, đào tạo và giáo dục quý giá về khoa học và công nghệ hạt nhân, tạo điều kiện cho việc chuyển giao kiến thức và công nghệ đến các lĩnh vực khác như y học, công nghiệp và các cơ quan không gian. Các hợp tác và mạng lưới quốc tế nhằm làm cho các cơ sở dễ tiếp cận đối với các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới, thúc đẩy trao đổi ý tưởng và thúc đẩy tiến bộ khoa học.

Kết luận

Từ cách mạng hóa y học và sản xuất năng lượng đến thúc đẩy nông nghiệp, công nghiệp và khảo cổ học, vật lý hạt nhân đã có ảnh hưởng sâu sắc đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Sự tiến bộ về công nghệ, hợp tác quốc tế và nghiên cứu liên tục có tiềm năng để tiếp tục biến đổi xã hội, giải quyết thách thức toàn cầu và cải thiện chất lượng cuộc sống của con người trên khắp thế giới. Khi nhìn về tương lai, các ứng dụng đa dạng của vật lý hạt nhân chắc chắn sẽ tiếp tục định hình quá trình tiến bộ và đổi mới của loài người.