Nếu bạn bước vào một căn phòng tối hoàn toàn và kéo nhanh một dải băng dính trong suốt, mắt bạn sẽ dần nhận ra một vệt sáng màu xanh lơ nhấp nháy dọc theo mép bóc. Đốm sáng mờ ảo đó vốn đã đủ kỳ thú, nhưng nếu bạn đưa chính cuộn băng dính văn phòng quen thuộc ấy vào một buồng chân không, nó sẽ lập tức biến thành một máy gia tốc hạt thu nhỏ có khả năng phát ra tia X thực thụ.
Vào năm 2008, nhóm các nhà vật lý tại Đại học California, Los Angeles (UCLA) đã công bố một thí nghiệm gây kinh ngạc: việc bóc cuộn băng dính 3M thông thường trong môi trường chân không vừa phải tạo ra các chùm xung tia X có thời lượng nano giây. Mức năng lượng này tập trung và ổn định đến mức các nhà nghiên cứu đã chụp thành công ảnh X-quang rõ nét cấu trúc xương ngón tay của một thành viên trong nhóm.
Đốm Sáng Kỳ Lạ Trong Bóng Tối
Ánh sáng xanh phát ra khi bóc băng dính trong không khí thuộc về một hiện tượng vật lý lâu đời mang tên phát quang do ma sát (triboluminescence). Thuật ngữ này dùng để chỉ hiện tượng vật liệu phát ra ánh sáng khi chịu tác động cơ học như cọ xát, cào xước, đập vỡ hoặc kéo rách.
Ngay từ năm 1605, học giả Francis Bacon đã ghi nhận rằng việc dùng dao cạo các khối đường trong bóng tối sẽ tạo ra những tia sáng lấp lánh. Một trò đùa khoa học phổ biến ngày nay là nhai kẹo bạc hà wintergreen trong phòng tối để nhìn thấy những tia chớp màu xanh lục phát ra từ kẽ răng. Khi lực cơ học làm nứt vỡ mạng tinh thể của đường, các điện tích dương và âm bị xé toạc về hai phía của vết nứt. Khi các điện tích này phóng qua nhau trong không khí, chúng kích thích các phân tử nitơ xung quanh, tạo ra những chớp sáng tử ngoại và ánh sáng khả kiến.
Khi bạn giật lớp băng dính ra khỏi cuộn, bạn đang phá vỡ lớp keo dính với tốc độ cao. Quá trình chia tách này bóc tách các electron từ bề mặt này sang bề mặt khác, tạo ra một điện trường tĩnh điện có hiệu điện thế cực lớn ngay tại khe hở siêu nhỏ giữa hai lớp vật liệu.
Động Cơ Giật Cục Ở Cấp Độ Vi Mô
Lớp keo dính của băng keo được liên kết chủ yếu nhờ lực van der Waals—loại lực liên kết liên phân tử yếu nhất trong hóa học, chỉ cần năng lượng chưa tới một electron volt (eV) cho mỗi liên kết để bẻ gãy. Vậy làm thế nào một liên kết yếu ớt như vậy lại có thể sinh ra điện thế lên tới hàng chục nghìn vôn?
Bí mật nằm ở cơ chế chuyển động khi bóc băng dính. Dưới kính hiển vi, lớp keo không bong ra một cách êm ái và liên tục. Thay vào đó, nó trải qua một quá trình cơ học hỗn loạn gọi là hiện tượng trượt-bám giật cục (stick-slip friction). Lớp keo acrylic bị kéo giãn đàn hồi, bám chặt lấy bề mặt cuộn, rồi bất ngờ đứt phựt và trượt về phía trước hàng nghìn lần mỗi giây.
Khi lớp keo acrylic tách rời khỏi màng nhựa polyethylene, hiện tượng nhiễm điện do tiếp xúc (triboelectricity) tước đi một lượng electron khổng lồ. Mặt keo vừa bóc tích điện dương mạnh, trong khi phần cuộn còn lại giữ điện tích âm đậm đặc. Sự phân tách điện tích cục bộ này tạo ra một điện trường khổng lồ, tích lũy hiệu điện thế vượt mức hàng chục kilovolt trên khoảng cách còn mỏng hơn một sợi tóc.
Vì Sao Không Khí Ngăn Cản Cỗ Máy Gia Tốc
Trong điều kiện phòng bình thường, mức điện thế cực hạn này không thể tích lũy tự do. Bầu không khí xung quanh chứa đầy các phân tử nitơ và oxy. Khi điện trường đạt ngưỡng khoảng 30.000 vôn trên mỗi centimet, không khí bị đánh thủng điện môi theo định luật Paschen.
Các electron khi vừa nhảy ra khỏi vết bóc lập tức va chạm liên tục với các phân tử khí sau quãng đường di chuyển chưa đầy một phần triệu mét. Những va chạm ở mức năng lượng thấp này kích thích phân tử khí nitơ phát sáng, sinh ra đốm sáng xanh nhạt của một tia lửa điện tí hon. Không khí đóng vai trò như một tấm đệm giảm xóc, liên tục triệt tiêu năng lượng trước khi bất kỳ electron nào kịp tăng tốc tới ngưỡng nguy hiểm.
Tuy nhiên, khi các nhà vật lý đưa cuộn băng dính vào buồng chân không, tấm đệm không khí hoàn toàn biến mất. Vùng khe bóc lúc này hoạt động giống hệt một ống tia âm cực (ống cathode) cổ điển. Các electron tự do được gia tốc qua khoảng trống chân không bởi điện thế hàng chục nghìn vôn, thu được động năng khổng lồ mà không hề bị cản trở bởi bất kỳ phân tử khí nào.
Khi dòng electron năng lượng cao này lao thẳng vào bề mặt cuộn băng dính tích điện dương, chúng bị hãm phanh đột ngột. Theo điện động lực học cổ điển, các hạt mang điện khi giảm tốc đột ngột sẽ giải phóng động năng dưới dạng bức xạ điện từ—quá trình này gọi là bức xạ hãm (Bremsstrahlung). Do các electron mang năng lượng lên tới hàng chục kiloelectron volt, bức xạ hãm sinh ra không còn là ánh sáng khả kiến mà chính là các photon tia X có khả năng đâm xuyên.
Chụp X-Quang Ngón Tay Bằng Cuộn Băng Dính Văn Phòng
Để đo đạc hiện tượng này một cách chuẩn xác, nhóm nghiên cứu tại UCLA do giáo sư Seth Putterman dẫn đầu đã thiết kế một động cơ bóc cuộn băng dính Scotch tiêu chuẩn trong buồng chân không với tốc độ ổn định khoảng 3 cm mỗi giây.
Các cảm biến của họ ghi nhận sóng vô tuyến, các chớp sáng quang học và đặc biệt là những chùm xung tia X có năng lượng từ 15 đến 100 keV, với công suất đỉnh đạt khoảng 100 milliwatt. Những xung tia X này xuất hiện đồng bộ hoàn hảo với từng nhịp trượt-bám cơ học của lớp keo. Khi đặt một ngón tay người phía trước cảm biến chụp X-quang nha khoa và chiếu chùm tia X từ cuộn băng dính, hình ảnh thu được hiển thị sắc nét từng đường nét của mô mềm và đốt xương bên trong.
Bạn hoàn toàn không phải lo lắng về bức xạ khi sử dụng băng dính để dán tài liệu tại bàn làm việc; không khí tự nhiên luôn phóng điện nhẹ nhàng để vô hiệu hóa nguy cơ này trước khi tia X kịp hình thành. Dẫu vậy, khám phá này mang đến một góc nhìn kỳ diệu về thế giới tự nhiên: một hệ thống vật lý bất đối xứng ngoài trạng thái cân bằng có thể hội tụ năng lượng cơ học thô sơ hàng ngày lên tới 12 bậc độ lớn, biến một vật dụng đơn sơ thành nguồn bức xạ ion hóa tinh vi.
Đang tải bình luận…