Những Điều Thật Căn Bản Về
Nguyên Tử, Phóng Xạ Nguyên Tử, Năng Lượng Nguyện Tử.
Kính thưa quí bạn, tôi được một bằng hữu gọi phone hỏi nhiều điều về nguyên tử về phóng xạ và về năng lượng hạt nhân. Vị nầy cho biết nhiều bạn bè cũng thắc mắc dữ lắm nên đề nghị tôi làm slide show giải thích thật bình dân về những chuyện nầy.

Thấy đề nghị có lý nên tôi viết ra đây mời các bạn cùng xem chơi. Nên hiểu cho rằng tôi không phải là chuyên viên, những gì ở đây được viết theo sách vở, tưởng cũng nói thêm tôi dạy môn Lý Hóa, cả hai môn đều liên hệ tới nguyên tử, phân tử và phóng xạ…

Chúng ta sẽ đi dần theo thứ tự sau:
1. Nguyên tử là gì, vật chất là gì, xa hơn vũ trụ chứa những gì.
2. Phóng xạ là gì, có mấy loại tia phóng xạ.
3. Phản ứng hạt nhân ra sao?
4. Năng lượng nguyên tử là gì. Khác với năng lượng dầu hỏa than đá ra sao.

Chúng ta đã học qua chuyện nầy ở Trung Học rồi, nay quá lâu nên chúng ta đã quên hết, tôi lập lại là các bạn nhớ ra liền. Riêng với các bạn là Phật tử tôi tưởng cũng nên xem qua để thấy nhiều điều trùng hợp lý thú giữa nguyên tử, vật chất và đạo Phật.
Huỳnh Chiếu Đẳng 25-Mar-2011
Nhấn space bar để đọc theo ý,
Có âm thanh một bài phỏng vấn dài 15 phút
Trước hết nguyên tử là gì?
Đó là một đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố (element) còn giữ được mọi đặt tánh cùa nguyên tố đó. Thí dụ đem một hạt vàng nhỏ xíu chia ra làm đôi lấy một phần chia đôi tiếp … cứ chia hoài như vậy cho đến lúc hết chia đôi được thì còn lại là một nguyên tử vàng. Nếu tách đôi cái hạt cuối cùng nầy ra thì nó không còn là vàng nữa.
Hình vẽ một nguyên tử cho có ý niệm thôi không đúng thực tế và không đúng tỉ lệ thật sự.
Đây là ba nguyên tử đơn giản và nhỏ nhất trong vũ trụ:



Nguyên tử có một cái nhân ở giửa và nhiều âm điện tử bay quanh tương tợ như thái dương hệ.
Hình vẽ không theo tỉ lệ đâu. Theo vật lý thì nguyên tử trống không, nhân và âm điện tử rất nhỏ so với đường kính nguyên tử trên. Ngay cả cái hạt nhận (nucleus) cũng nhỏ xíu và gần như trống không.

Nếu ta có cách ép các âm điện tử sát vào nhân thì trái đất của chúng ta thu nhỏ lại chỉ bằng hạt cải. Có câu núi Tu Di bằng hạt cải mà hạt cải bằng núi Tu Di, điều nầy đúng ở đây, đúng cho vật chất, đúng cho vũ trụ theo những gì người ta biết được tới bây giờ.
Đường kính nguyên tử chỉ có năm bảy angstroms thôi (1 angstrom = 10-8 cm = 10-10 m).
Một angstrom bằng 1 phần trăm triệu cm (1/100 000 000 cm).
Trong vũ trụ có bao nhiêu nguyên tố, tức có bao nhiêu loại nguyên tử khác nhau?

Nhóm đất hiếm
Nhóm phóng xạ
Thưa tới bây giờ người ta thấy có 114 nguyên tố bền và không bền.
Nguyên tử Oxygen
Nguyên tử Hydrogen
Vạn vật trên trái đất, các thiên hà, hay vũ trụ nói chung được cấu tạo bằng phân tử (molecules). Phân tử là do nguyên tử kết lại với nhau tạo nên. Thí dụ như phân tử nước được tạo bằng một nguyên tử oxygene và hai nguyên tử hydrogene.
Phân tử nước
Thí dụ phân tử đường glucose như sau:
Tóm lại các nguyên tử họp lại theo một cấu trúc khác nhau để tạo thành các phân tử khác nhau. Chính các phận tử nầy tập hợp lại thành mọi vật trên đời. Nếu đi xa nữa thì nó dài vô tận, tạm dừng nơi đây. Các bạn thấy lý duyên hợp của nhà Phật trùng hợp ở đây.

Trở lại bên trong nguyên tử gần như trống không. Cái nhân nguyên tử (nucleus) và âm điện tử nhỏ xíu mà cũng gần như trống không. Do vậy nếu chúng ta có đủ sức ép trái đất lại cho hết khoảng trống trong nguyên tử thì trái đất nhỏ bằng hòn trái banh. Tuy nhỏ như trái banh nhưng mà trọng lực và trọng lượng của nó vẫn rất to như khi chưa ép. Trái banh nặng bằng trái đất.

Đừng cho tôi nói đùa, chuyện nầy xảy ra trong các black hole trong vũ trụ. Trang sau chúng ta sang chuyện phóng xạ nguyên tử.
Nhật nguyệt nằm trong hạt cải,
Càn khôn náu tại đầu lông.
Thiền sư Khánh Hỷ
Việt Nam, vào thời Lý (1067 – 1142)
Không phải chỉ có thiền sư Khánh Hỉ nói trong hai câu kệ trên đâu, mà kinh Phật cũng có nhiều nơi nói lên ý nầy.
Đây là những nguyen tố phóng xạ (từ 89 tới 103)
Uranium và Plutonium là hai nguyên tử được dùng làm bom nguyên tử, Uranium cũng là một trong những nhiên liệu dùng đun nước tạo ra hơi nước áo suất cao để từ đó làm quay turbine tạo ra dòng điện trong nhà máy điện nguyên tử.

Nói thật giàn dị là nó như thanh gổ hay than đá đun nước sôi để chạy máy hơi nước kéo xe toa xe lửa, đẩy tàu thủy hay chạy máy phát điện trong nhà đèn ngày xưa (cả ngày nay nữa). Nhiên liệu nguyên tử chứa năng lượng khổng lồ tính theo công thức:



Dưới đây là năng lượng do 1 gram nhiên liệu nguyên tử phát ra (1 gram nước bằng 1 khối nước mỗi chiều là 1cm, với uranium khối nầy mỗi chiều chừng vài ba mm thôi, có tí xíu)


Một viên nhiên liệu nguyên tử nhỏ như đầu đủa “cháy hết” cho năng lượng bằng 560 ngàn gallons xăng. Một như vậy đủ cho chiếc xe hơi chạy 17 040 000 miles. Các bạn tính đi tôi mệt rồi.

Đây là thỏi Uranium giàu, là nhiên liệu đun sôi nước chạy máy điện. Dĩ nhiên trong nhà máy nó không có hình dạng nầy đâu. Uranium có ký hiệu là U. Cũng như nhôm có ký hiệu là Al, sắt có ký hiệu là Fe.
Đây là miếng kim loại plutonium (ký hiệu Pu).
Nhiên liệu nguyên tử (Uranium hay Plutonium chẳng hạn) khác với than đá dầu hỏa ở chỗ nó chứa năng lượng khổng lồ và nó cứ nóng hoài không cần oxy. Không làm nguội hay không có những máy móc “dập nó tắt bớt” thì càng ngày nó càng nóng lên đến độ sắt thép đất đá bao bọc lò phàn ứng nguyên tử chảy thành dung nham như dung nham núi lửa. Cúi cùng nó lọt dần vào lòng đất. Đó là hiện tượng meltdown.

Khi đó nguy hiểm là những nhiên liệu nầy của nhà máy không còn võ bọc ngừa phóng xạ nữa. Nó tiếp xúc trực tiếp với môi trường chung quanh như đất đá nước không khí … làm cho môi trường nhiễm phóng xạ. Câu chuyện vào chi tiết thì dài lắm, chúng ta chỉ biết kiểu tóm tắt cho dễ hiểu thôi. Câu hỏi kế tiếp phóng xạ là gì.

Nói thật gọn, phóng xạ là nhữa tia “sáng” tia vật chất nằm trong ba nhóm sau đây: tia alpha, tia bêta và tia gamma. Và trang sau chúng ta nhìn qua đặc tính của ba tia nầy coi sức xuyên phá của nó ra sao.
Alpha Decay – Nucleus Emits Alpha Particle
Hạt nhân nguyên tử
Tia alpha
Beta Negative Decay – One neutron turns into a proton, while a electron(e−) and antineutrino(νe) is ejected.
Hạt nhân nguyên tử
Tia beta
Gamma Decay
Hạt nhân nguyên tử
Tia gamma
Đây là ly bình thủy tinh có pha một lượng uranium rất nhỏ, để trong tối nó rực lên thế nầy Uranium. Vì Uranium phát tia phóng xạ.
Sao tôi nghi “dạ quang bôi” hay ngọc dạ quanng của chuyện Tàu ngày xưa thuộc nhóm nầy quá. Nếu như vậy thì chủ nhân nó không thọ nổi đây.
Bồ đào mỹ tửu dạ quang bôi,
Dục ẩm tì bà mã thượng thôi.
Túy ngọa sa trường quân mạc tiếu,
Cổ lai chinh chiến kỉ nhân hồi?
Vương Hàn
Bồ đào rượu ngát chén lưu ly
Toan nhắp, tỳ bà đã giục đi
Say khướt sa trường anh chớ mỉa
Xưa nay chinh chiến mấy ai về
Trần Quang Trân
Hình những thanh Uranium và Plutonium trong lò nhà máy điện nguyên tử (nằm trong nước). Nước gì? Nói thêm mệt lắm.
Nguyên tử Natri-22 khi phóng xạ (decay) nó biết thành neon-22 và phát ra một dương điện tử (positron).
Thưa các bạn đây là vài hình tiêu biểu phàn ứng hạt nhân. Thí dụ Iode thường hiền lành không phóng xạ, như Iode 131 thì phát ra phóng xạ. Nhưng may là half-life của nó chỉ có 8 ngày.
Nhân của nguyên tử Iode 131, khi phóng xạ nó biến thành Xenon, và một âm điện tử.
Những chi tiết ở các trang sau, các bạn không cần hiểu đâu, sẳn viết luôn cho các em học sinh trung học có tài liệu đọc thêm cho biết thôi.
uranium-238 nucleus emits a helium-4 nucleus (the alpha particle) and the parent nucleus becomes thorium-234.
Alpha Decay (phát tia alpha) dưới đây là thí dụ 1:
Alpha Decay (phát tia alpha) dưới đây là thí dụ 2:
Beta Decay (phát tia beta) dưới đây là thí dụ 1:
iodine-131 nucleus which decays into xenon-131 with the emission of an electron
Beta Decay (phát tia beta) dưới đây là thí dụ 2:
technetium-99m - which by the way is the most common radioisotope used for diagnostic purposes today in medicine
Gamma Decay (phát tia gamma) dưới đây là thí dụ 1:
Gamma Decay (phát tia gamma) dưới đây là thí dụ 2:
Bắn neutron vào nhân (nucleus) Plutonium-239 hay Uranium-235, hạt nhân của nó bị bể đôi phát ra năng lượng kinh hồn. Nguy hiểm là khi tách như vậy nó lại cho ra 3 neutron khác. Ba neutron nầy đụng 3 hạt nhân khác lại làm nó bể đôi sinh năng lượng và 9 neutron mới. Trong nháy mắt phản ứng hạt nhân nầy nổ có rầm hủy diệt mọi thứ như khi bị "bom nguyên tử". Đâu có cái gì mạnh hơn để mô tả đâu.

Trong nhà máy điện thì người ta hút bớt neutron để cho phàn ứng hạt nhận bị kiềm chế mà không nổ. Sức nóng (năng lượng) được phát ra theo nhu cầu như khi dùng củi đun nước vậy. Do đó nhà máy nguyên tử không nổ như quả bom. Động đất thì các thanh hút neutron tự động lọt xuống chận phản ứng nguyên tử ngay. Nhưng những thanh nhiêu liệu vẫn tiếp tục nóng, nếu không có hệ thống làm nguội thì càng ngày những thanh nầy càng nóng thêm cho tới nhiệt độ quá cao nó chảy ra và làm vỏ bọc nóng chảy luôn.
Tia Gamma (radiation) nầy chỉ có thể ngăn lại bằng một lớp chì dầy 4 mét. Vật chất khác gần như trong suốt với nó. Do vậy vỏ trong của lò nguyện từ đang bị nạn của Nhật gầm có một lớp chỉ 4 mét chiều dầy, kẹp trong hai lớp thép đầy gần cả thước, tôi nhớ phỏng thôi.
Alpha particles có thể bị ngăn lại bằng một tờ giấy mõng.
Beta particles chỉ bị ngăn lại bằng một tấm nhôm
Theo tin ngày hôm nay 28-Mar-2011 thì có một lò đã meltdown phần nào, có nghĩa là vỏ bọc bằng hai lớp thép rất dầy giữa là 4 mét chì (Pb) đã bị nóng chảy mất rồi, không bảo vệ được nhiên liệu nguyên tử, phóng xạ phát tự do ra bên ngoài.
Dưới mđây là đời sống half-life của một số chất phóng xạ thông thường.
Half-life của Uranium phóng xạ 238 là 4,51 tỉ năm, của Radium 226 là 1620 năm, của Iode 131 là 8 ngày. Không có nghĩa là 8 ngày nó hết phóng xạ, mà 8 ngày nó mất đi hết phân nửa sức phóng xạ. Cứ vậy mà tính.
Một kiểu phản ứng hạt nhân khác.
Thêm một bản half-life của những chất phóng xạ thông thường:
Đây là hình vẽ sơ về ứng dụng tia phóng xạ trong y khoa chẳng hạn. Chất phóng xạ phát ra tia phóng xạ như là bóng đèn pin, nó bị lớp chị ngăn lại chỉ cho qua một lổ nhò rọi vào nơi cần tới tia nầy.
Đặc tính tia phóng xạ.
Máy đo tia phóng xạ cầm tay:
Đầu đạn nguyên tử khá xưa.
Trái bom Big boy thả Hiroshima làm bằng plutonium.
Danh sách 10 nguyên tố có nhiều nhất trong vũ trụ:
Chúng ta thấy hydrogen nhiều trội hơn tất cả mọi nguyên tố khác. Lấy nguyên tố silicon làm tiêu chuẩn là 1 thì hydrogen nhiều gấp 40 000 lần.
Hydrogen là nguyên tử gần như trống không, các nguyên tử của các nguyên tố khác cũng vậy. Do đó vũ trụ cũng gần như trống không nếu chúng ta có cách ép cho electron sát vào nucleus. Chuyện nầy xảy ra trong các lổ đen. Lúc đó thái dương hệ của chúng ta chỉ bằng "hạt cải".
Còn tiếp….