Mặt sau chiếc đầu báo khói trên trần nhà bạn có một dòng chữ nhỏ và hình tam giác ba cánh: Am-241, 37 kBq. Nguồn phóng xạ thật, đang bắn ba mươi bảy nghìn hạt alpha mỗi giây, cách chỗ bạn ngủ hai mét. Toàn bộ lá chắn cần thiết là cái vỏ nhựa — thật ra còn ít hơn thế nhiều:
Ba phần mười microgram, mười nghìn tỉ hạt
37 kBq nghe rất to. Nhưng americi-241 có chu kỳ bán rã 432,6 năm, nên để giữ 37 000 phân rã mỗi giây chỉ cần 7,3·10¹⁴ nguyên tử — 0,29 microgram, một vệt không nhìn thấy trên lá vàng cán mỏng. Cũng vì thế mà sau mười năm treo trần, 1,17·10¹³ hạt alpha đã bay ra nhưng nguồn mới hao 1,6%. Mỗi hạt thoát ra bằng xuyên hầm: không đủ sức trèo hàng rào, nó rò qua.
Cỗ máy bên trong thô bạo đến duyên dáng. Hạt alpha 5,5 MeV lao vào buồng không khí giữa hai bản cực, cày đứt electron dọc đường: mỗi cặp ion tốn chừng 34 eV, nên một hạt sinh hơn 160 000 cặp ion — thu trọn thì được 0,96 nanoampe. Khói lọt vào, bồ hóng bắt lấy ion, dòng sụt: còi kêu. Đầu báo khói không hề “ngửi” thấy khói, nó đo một dòng điện nano-ampe bị mất. Buồng ion hoá rộng chừng một centimet — vừa lọt trong tầm với của hạt alpha, và đó là cả thiết kế.
Vì sao đúng một tờ giấy là đủ
Hạt alpha là hạt nhân heli: nặng gấp 7 294 lần electron, mang hai đơn
vị điện tích, và ở 5,5 MeV bò với tốc độ chỉ 5,43% vận tốc ánh sáng.
Nặng, chậm, điện tích đôi — nó va chạm liên tục mà gần như không đổi
hướng, nên nhả sạch năng lượng trên một đoạn ngắn đến kỳ lạ:
R ≈ 0,325·E^1,5 cm trong không khí, tức 4,2 cm. Trong giấy, đặc gấp 664
lần, nó chết ở 53 micromet: quá nửa bề dày một tờ A4 (0,1 mm) rồi
hết.
Trong mô người con số là 40 micromet. Chuẩn đo liều da của ICRP đặt lớp tế bào đáy — lớp sống thật sự, chia được và hỏng được — ở độ sâu quy ước 70 micromet: alpha của americi không với tới đó. Cầm nguyên cái nguồn trong lòng bàn tay cũng chỉ là hâm nóng phần da đã chết.
Cùng 5,5 MeV, beta đi xa gấp 555 lần
Giữ nguyên năng lượng, đổi vật liệu sang “không khí”: hạt beta cùng
5,5 MeV đi 23,3 mét, gấp 555 lần hạt alpha — chỉ vì electron nhẹ
hơn bảy nghìn lần nên bị đá văng đi sau mỗi cú va chạm thay vì cày thẳng.
Nguồn beta mạnh đến thế hiếm; loại 1 MeV quen thuộc đi 3,4 m không khí,
xuyên 1,53 mm nhôm, hay 51 tờ giấy chồng lên nhau. Kèm một quy tắc
nghe ngược đời: chắn beta thì đừng dùng chì — electron hãm gấp trong
nguyên tử nặng biến 0,00035·Z·E phần năng lượng thành tia X, 2,9%
với chì (Z = 82) so với 0,46% với nhôm.
Gamma không có tầm xa, chỉ có những lần giảm một nửa
Hai hàng trên trong demo kết thúc bằng một chấm tròn; hàng gamma thì
không, nó nhạt dần theo I = I₀·e^(−µx) và không bao giờ chạm số
không. Nên câu hỏi đúng không phải “bao nhiêu chì để chặn” mà “bao nhiêu
để còn một nửa”: ở 5,5 MeV là 14,1 mm chì. Muốn còn một phần nghìn thì
cần mười lần thế — 14 cm chì, 1 594 kilogram mỗi mét vuông tường.
Đường cong ấy còn không đơn điệu. Chọn chì rồi kéo năng lượng: bề dày nửa giá trị leo từ 8,6 mm ở 1 MeV lên cực đại 14,55 mm ở đúng 4,00 MeV, rồi tụt còn 12,3 mm ở 10 MeV. Chì trong suốt nhất với gamma cỡ 4 MeV vì đó là khoảng giữa hai cơ chế: dưới nó, hiệu ứng quang điện nuốt trọn từng photon; trên 1,022 MeV, sinh cặp mới mở ra. Vạch gamma 59,5 keV của chính americi rơi sâu trong vùng quang điện — 0,12 mm chì đã cắt mất một nửa.
Trường hợp biên: hạt yếu nhất lại là hạt độc nhất
Cả bài đứng trên một chữ ngầm: bên ngoài. Bỏ nó đi thì mọi kết luận lật ngược — cùng một tầm xa ngắn, đọc theo chiều kia. Hít phải một hạt americi: 5,5 MeV không còn lớp da chết nào để vượt, nó nhả trọn trong 40 micromet mô sống. Một hạt alpha xuyên qua nhân tế bào đường kính 8 µm để lại 1,11 MeV; chia cho khối lượng nhân (2,68·10⁻¹³ kg) ra 0,66 gray dồn vào riêng cái nhân ấy, từ một hạt. Một electron 1 MeV qua đúng nhân đó để lại 0,00096 Gy — ít hơn 693 lần. Đấy là lý do ICRP gán cho alpha hệ số trọng số bức xạ 20: cùng số joule, hai mươi lần nguy cơ. Radon trong nhà, plutoni hít vào: vẫn công thức ấy, đọc ngược.
Còn gamma chưa từng có ngưỡng nào để vượt, nên không có chiều nào để đọc ngược: tấm chắn dày gấp đôi không chặn gấp đôi, nó chỉ bình phương phần lọt qua. Với alpha, bạn được hỏi đã đủ chưa; với gamma, chỉ còn lại bao nhiêu.