Trong quá trình học tập bộ môn Vật lý 2 chúng em đã học được rất nhiều điều mới lạ, bổ ích và để có thể nắm bắt và vận dụng kiến thức một cách dễ dàng hơn thì nhóm chúng em đã làm quen,
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đề tài: “Ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp”
Vào ngày nay, năng lượng nguyên tử đang được ứng dụng rộng rãi và có nhiều đóng góp quan trọng trong việc sản suất năng lượng hay các lĩnh vực đời sống xã hội như y tế
Trong đó, nông nghiệp là ngành kinh tế đã và đang áp dụng công nghệ hạt nhân để tạo ra các giống cây trồng mới nhằm tăng chất lượng sản phẩm đem lại nguồn thu nhập cho người nông dân Việt Nam nói chung và trên toàn thế giới Ngoài ra, ứng dụng công nghệ hạt nhân còn giúp ta bảo quản và chế biến sản phẩm, bảo vệ thực vật.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các khái niệm cơ bản về hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử là cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn đạt đến 100 triệu tấn/cm 3 ), chiếm khối lượng chủ yếu (gần như là toàn bộ) của nguyên tử Về cơ bản, theo các hiểu biết hiện nay thì hạt nhân nguyên tử có kích thước nằm trong vùng giới hạn bởi bán kính cỡ 10 -15 m, được cấu tạo từ hai thành phần sau:
- Proton: là loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng bằng 1.6726×10 −27 kg
(1.007825 u) và spin +1/2 Trong tiếng Hy Lạp, proton có nghĩa là "thứ nhất" Proton tự do có thời gian sống rất lớn, gần như là bền vĩnh viễn Tuy nhiên quan điểm này vẫn còn một số hoài nghi trong vật lý hiện đại
- Neutron: là loại hạt không mang điện tích, có khối lượng bằng 1.6750 × 10 −27 kg (1.008665 u) và spin +1/2, tức là lớn hơn khối lượng của proton chút ít Neutron tự do có thời gian sống cỡ 10 đến 15 phút và sau đó nhanh chóng phân rã thành một proton, một
7 điện tử (electron) và một phản Neutrino.
Các đại lượng cơ bản trong kỹ thuật hạt nhân
2.1 Khối lượng nguyên tử và khối lượng phân tử
Khối lượng nguyên tử được định nghĩa theo khối lượng của nguyên tử 12 6 C trung hòa theo một thang đo, trong đó khối lượng của 12 6 C được chọn là 12 Ta kí hiệu m ( ) A N Z là khối lượng của nguyên tố có kí hiệu A N Z và m ( ) 12 6 C là khối lượng của 12 6 C trung hòa Khối lượng nguyên tử được tính như sau:
Trong tự nhiên, các nguyên tố tồn tại thường chứa nhiều hơn một đồng vị Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố được định nghĩa là khối lượng nguyên tử trung bình của các đồng vị Vì vậy, nếu ,My i i tương ứng là tỉ lệ phần trăm và khối lượng của đồng vị thứ i thì khối lượng nguyên tử M của nguyên tố là:
Khối lượng phân tử là tổng khối lượng nguyên tử của các nguyên tử cấu thành nó
Ví dụ, khối lượng phân tử của Oxy chứa 2 nguyên tử O là 2 15,99938 = 31,99876 g ( )
Ta có thể sử dụng số Avogadro (N A =6, 022045 10 23 ) để tính khối lượng của 1 nguyên tử hay 1 phân tử Ví dụ 1 mol của 12 6 C chứa N nguyên tử nên khối lượng của 1 A nguyên tử 12 6 C là:
Thông thường, khối lượng của một nguyên tử được biểu thị theo đơn vị khối lượng nguyên tử (u) Một u được định nghĩa là 1/12 khối lượng nguyên tử 12 6 C:
Từ công thức (2.1) suy ra:
2.2 Bán kính hạt nhân Để xác định kích thước hạt nhân, người ta đã tiến hành những thí nghiệm như bắn phá hạt nhân bằng các hạt đạn nơtron mang năng lượng 20 - 50 MeV (1 MeV=1, 6 10 − 13 J
) hoặc bằng các hạt mang điện Các thí nghiệm chứng tỏ hầu hết các hạt nhân có dạng hình cầu, và đều có những kết quả về kích thước gần như nhau Bán kính R của hạt nhân có số khối lượng A được cho bởi công thức RR A 0 1/3 (2.2) trong đó R 0 =1,1 10 − 15 (m)
Thể tích gần đúng của hạt nhân bằng:
Như vậy, kích thước hạt nhân tỉ lệ với số các nuclon Điều đó có nghĩa là mật độ khối lượng của tất cả các hạt nhân hầu như bằng nhau vào khoảng 2.3 10 17 kg m/ 3 Kết quả này nghiệm được dễ dàng:
Mật độ khối lượng hạt nhân cực kì lớn Thực nghiệm chứng tỏ khối lượng không phân bố đều mà tập trung ở giữa tạo thành lõi, còn ở lớp ngoài mặt, mật độ khối lượng giảm nhanh
9 Để xác định kích thước hạt nhân, ngoài những phương pháp dùng hạt đạn bắn phá hạt nhân, người ta còn dựa vào hệ thức bất định về năng lượng E t h Nội dung của phương pháp này như sau: Theo Yukawa, các nucleon thực hiện tương tác với nhau bằng cách trao đổi với nhau các mezon Có 3 hạt nhân mezon : − , + , o Khối lượng của các hạt nằm trong khoảng (200 – 300) me Có thể xảy ra các sơ đồ trao đổi sau:
Quá trình này tự phát xảy ra không cần có năng lượng từ ngoài Sự trao đổi trên kèm theo độ biến thiên năng lượng E Theo cơ học lượng tử thì E chính là độ bất định năng lượng của hệ các nucleon Độ bất định này (vào cỡ năng lượng nghỉ của hạt ) chỉ tồn tại trong khoảng thời gian:
Các hạt trao đổi ở trên được gọi là các hạt “ảo” Hạt này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian t trên Trong khoảng thời gian này, hạt chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng c và đi được một khoảng cách vào cỡ:
Vậy nếu hai nucleon cách nhau một khoảng lớn hơn r 0 , thì hạt ảo không kịp đi từ nucleon này đến nucleon khác, nghĩa là không có sự tương tác giữa hai nucleon Như vậy có thể nói khoảng cách đó xác định bán kính tác dụng của lực hạt nhân Nó nói lên có tác dụng tầm ngắn
Thực nghiệm chứng tỏ các nucleon không phải có kích thước điểm Chúng có cấu trúc rất phức tạp Cụ thể, proton luôn luôn phát ra và hấp thụ các hạt ảo Như vậy, quanh nucleon luôn tồn tại một đám mây các mezon ảo Hạt proton, mà ta thường quan niệm trong thực tế, là một cái lõi (gọi là nucleon “trần”) được bao quanh bằng một đám mây các hạt Các nucleon tồn tại trong hạt nhân có bán kính R được xác định bởi (2.2)
Ngoài ra, người ta cũng có thể xác định R bằng cách so sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương
Theo hệ thức Einstein: 𝐸 = 𝑚𝑐 2 Năng lượng tương ứng có khối lượng 1u:
E= u c = − Năng lượng liên kết của hạt nhân:
W lk = Mc =[Zm p +(A−Z m) n −M c] Để so sánh độ bền vững của hạt nhân, ta dùng khái niệm năng lượng liên kết riêng Đó là năng lượng liên kết tính cho 1 nucleon:
Nếu càng lớn thì hạt nhân càng bền vững
Tia gamma ( ) là sóng điện từ có bước sóng ngắn (photon) được phát ra khi trạng thái kích thích của hạt nhân nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản Ngoài việc thực sự phát ra tia , còn có một quá trình trong đó năng lượng được hấp thụ bởi một trong các điện tử xung quanh và các điện tử này được phát ra
Chuyển đổi nội bộ được gọi là Sự chuyển đổi được đặc trưng bởi nhiều cực của sóng điện từ bức xạ, chẳng hạn như lưỡng cực điện (E1), tứ cực điện (E2) và lưỡng cực từ (M1) Sự phân rã này đã đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong việc khảo sát cấu trúc của mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Một ví dụ điển hình là nghiên cứu mức độ quay của hạt nhân bởi một loạt tia chuyển tiếp E2, nhưng gần đây, như một phần mở rộng của
Trạng thái kích thích và sự phát xạ của nguyên tử
Các electron của nguyên tử bao quanh hạt nhân chuyển động theo các quỹ đạo xác định Trong số đó, có một số electron liên kết mạnh hơn với nguyên tử Ví dụ, chỉ cần 7,38 eV để tách electron ngoài cùng ra khỏi nguyên tử Pb (Z = 82), trong khi để tách electron trong cùng (electron lớp K) cần năng lượng là 88 keV Việc tách electron khỏi nguyên tử được gọi là ion hóa nguyên tử, và năng lượng để tách gọi là năng lượng ion hóa của nguyên tử
Với nguyên tử trung hòa, electron có thể tồn tại ở các quỹ đạo (trạng thái) khác nhau
Trạng thái năng lượng thấp nhất của các nguyên tử được gọi là trạng thái cơ bản Khi một nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái cơ bản, nguyên tử đó đang ở trạng thái kích thích Trạng thái cơ bản và các trạng thái kích thích khác nhau có thể được mô tả bằng sơ đồ phân mức năng lượng, ví dụ như Hình 2.1 cho mô tả trạng thái của nguyên tử hydro Trạng thái năng lượng cao nhất tương ứng với trạng thái khi electron bị tách hoàn toàn khỏi nguyên tử, và lúc này nguyên tử bị ion hóa
Hình 2.2 Các mức năng lượng (eV) của nguyên tử Hydro
Một nguyên tử không thể tồn tại mãi ở trạng thái kích thích, nó sẽ chuyển về các trạng thái năng lượng thấp hơn, và do đó sau cùng nguyên tử sẽ trở về trạng thái cơ bản
Khi chuyển dịch từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn, nguyên tử sẽ phát ra một photon với năng lượng đúng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái Ví dụ, khi nguyên tử hydro ở trạng thái kích thích thứ nhất 10,19 eV chuyển về trạng thái cơ bản, nó phát ra 1 photon có năng lượng đúng bằng 10,19 eV.
Phân loại phản ứng
Khi hai hạt nhân (hoặc nucleon và hạt nhân) gần nhau đến khoảng cách 10 -15 m (bán kính hạt nhân) thì xuất hiện hiện tượng tương tác mạnh, dẫn tới sự biến đổi của hạt nhân
Quá trình này gọi là phản ứng hạt nhân Trong phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng và xung lượng của hai hạt, đồng thời sinh ra một số hạt khác Tuỳ theo hạt tới gây tương tác, người ta có thể chia ra thành các loại tương tác sau:
- Phản ứng dưới tác dụng của neutron
- Phản ứng dưới tác dụng của hạt tích điện
- Phản ứng dưới tác động của tia (Quang phản ứng)
Và theo quan điểm về cơ chế tương tác, có thể chia ra làm 3 loại:
- Phản ứng qua giai đoạn trung gian bằng cách tạo hạt nhân hợp phần
- Phản ứng bằng tương tác trực tiếp
- Phản ứng tiền cân bằng (tức giữa hai phản ứng trên)
Trong đó: a, A là các hạt tham gia phản ứng b, B là các hạt sản phẩm của phản ứng.
Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
5.1 Định luật bảo toàn điện tích và số nucleon
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các trường hợp thì tổng số điện tích của các hạt tham gia phản ứng bằng tổng điện tích của các sản phẩm của phản ứng Trong phản ứng hạt nhân thông thường (không sinh phản hạt) thì số nucleon bảo toàn
Bảng 2.1 trình bày một vài phản ứng hạt nhân làm ví dụ cho định luật bảo toàn điện tích và nucleon
Bảng 2.1 Một số phản ứng hạt nhân bảo toàn điện tích, nucleon
Phản ứng Điện tích Số nucleon
Hai định luật nói trên đều đúng với các quá trình: phân rã alpha, phân rã beta, chiếm electron quỹ đạo và phân hạch Bảng 2.2 minh họa cho các loại phản ứng này
Bảng 2.2 Các phản ứng phân rã alpha, phân rã beta và chiếm electron quỹ đạo bảo toàn điện tích và nucleon
Sự bảo toàn số nucleon dẫn tới quá trình 𝑝 + 𝑒 − → 2𝛾 bị cấm
Bảo toàn số nucleon dẫn tới bảo toàn số khối A Như vậy có thể đưa thêm khái niệm điện tích nucleon (𝐵𝑛 = 𝐵𝑝 = 1) Xét trong hạt nhân, điện tích sẽ bằng với số khối A, được gọi là điện tích Barion
5.2 Định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng
Phản ứng Điện tích Số nucleon
Trong phản ứng hạt nhân, mô men động lượng của các hạt đang tương tác và hình chiếu của nó lên một phương được bảo toàn
5.3 Định luật bảo toàn chẵn lẻ
Spin và độ chẵn lẻ là hai đặc trưng lượng tử của hàm sóng = J J Trong đó là độ chẵn lẻ và J là spin của hạt nhân Độ chẵn lẻ gắn liền với tính chất của hàm sóng
5.4 Định luật bảo toàn spin đồng vị
Các hạt cùng một họ mezon hay barion có khối lượng gần bằng nhau ghép lại thành một đa tuyến đồng vị Trong một đa tuyến, các phần tử tương tác mạnh với nhau (hadron), chúng tương tác mạnh như nhau với các phần tử ngoài đa tuyến.
ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG NÔNG NGHIỆP
Tạo giống mới
Trong sản xuất nông nghiệp, công tác chọn tạo giống cây trồng mới có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, bởi đây là khâu đầu tiên quyết định đến năng suất và chất lượng của cây trồng Tuy nhiên quá trình chọn lọc giống mang tính đột biến trong tự nhiên diễn ra trong nhiều năm, có thể là hàng trăm năm, thậm chí là hàng triệu năm Ngày nay nhờ có những công nghệ hiện đại có thể tác động biến dị bằng năng lượng hạt nhân giúp rút ngắn quá trình đột biến tự nhiên hàng triệu năm xuống chỉ còn tính theo tháng giúp đem lại những giống cây trồng năng suất, chất lượng cao, giúp đảm bảo an ninh lương thực và an toàn thực phẩm
Mặc dù các công nghệ tiên tiến như chỉnh sửa gen đã mang lại nhiều phương pháp hiệu quả để tạo ra các giống cây trồng, nhưng việc tăng cường sự đa dạng của tế bào chất thông qua đột biến vẫn là điều không thể thiếu trong chọn giống cây trồng hiện nay Kỹ thuật nhân giống đột biến sử dụng các phương pháp đột biến nhân tạo để thu được các giống cây trồng mới, chủ yếu thông qua đột biến hóa học hoặc bức xạ Đột biến hóa học là phương pháp sử dụng các phản ứng sinh hóa giữa tác nhân hóa học và vật chất di truyền, kết quả chủ yếu là các biến đổi gen Mặc dù gây đột biến hóa học rất dễ thực hiện nhưng lại có tác động không nhỏ đến môi trường và an toàn sinh học Trong khi đó, đột biến bức xạ là đột biến có khả năng mang đến các dạng di truyền phức tạp hơn và nhiều kiểu hình đột biến có lợi hơn Nhân giống đột biến sử dụng công nghệ bức xạ đã ra đời và phát triển được gần 100 năm, cải tạo thành công cây trồng thông qua việc tăng sự biến đổi di truyền Nhân giống cây trồng đột biến bằng công nghệ bức xạ là một phương pháp nhân giống cây trồng được thực hiện bằng cách sử dụng tia bức xạ ion hóa để tạo ra các biến đổi di truyền trong gen của cây Phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra các biến thể cây mới với các đặc tính mong muốn, như sự chịu nhiệt, kháng bệnh, tăng năng suất hoặc cải thiện chất lượng sản phẩm
1.2 Nguyên lý và phương pháp thực hiện
Quá trình nhân giống cây trồng đột biến bằng công nghệ bức xạ thường gồm các bước sau:
- Chọn cây trồng cần nhân giống - Tiếp xúc với bức xạ
- Sự chọn lọc và mở rộng - Kiểm tra đặc tính
- Giao nhân giống - Phân tích gen - Phát triển cây trồng đột biến mới
Quá trình nhân giống đột biến bức xạ bắt đầu với sự tương tác giữa bức xạ và DNA, thay đổi trực tiếp cấu trúc và chức năng phân tử DNA thông qua năng lượng bức xạ hoặc gián tiếp từ các gốc tự do tạo ra tương tác thô giữa các phân tử nước và bức xạ ion hóa
Hình 3.4 Cơ chế gây tổn hại DNA thông qua bức xạ Để duy trì tính toàn vẹn của bộ gen, các tế bào phát triển một tập hợp “cơ chế sửa chữa” để giải quyết các tổn thương DNA Tổn thương DNA có thể được chia thành hai loại: đứt gãy sợi đơn (SSB) và đứt gãy sợi kép (DSB) Tuy nhiên, tổn thương DNA không tương đương với đột biến, nếu tổn thương DNA được sửa chữa chính xác sẽ không có đột biến nào tồn tại Đột biến là kết quả từ các “lỗi” trong quá trình sửa chữa DNA Một số lỗi là do ngẫu nhiên, chẳng hạn như lỗi tái tạo do một số đứt gãy sợi đơn không được phát hiện trước khi sao chép DNA, các sợi đơn DNA không ổn định trong quá trình sửa chữa và sự tham
19 gia của polymerase có độ bền thấp Đối với các DSB nghiêm trọng, việc xóa và sắp xếp lại các đoạn được thực hiện trong quá trình sửa chữa Nếu những đột biến này được giữ lại trong lần phân chia tế bào tiếp theo được di truyền bởi thế hệ tiếp theo, chúng sẽ trở thành nguồn gốc của các đột biến
1.3 Các dạng tạo giống cây mới bằng công nghệ bức xạ
Tạo giống cây mới bằng kỹ thuật hạt nhân thường được chia thành:
- Nhân giống đột biến bức xạ cổ điển:
Nhân giống đột biến bằng bức xạ cổ điển là một phương pháp nhân giống cây trồng được thực hiện bằng cách sử dụng tia bức xạ chẳng hạn như tia gamma hoặc tia X, để gây ra các biến đổi trong gen của cây
Trong tự nhiên, các biến đổi gen cũng có thể xảy ra tự nhiên do tác động của các tác nhân môi trường như tia UV từ mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng tia bức xạ trong môi trường kiểm soát được coi là một phương pháp nhân giống đột biến có thể kiểm soát hơn và có thể được áp dụng một cách nhân rộng
- Nhân giống đột biến hạt:
Không giống như công nghệ bức xạ gây đột biến bằng tia gamma và tia X cổ điển, công nghệ gây đột biến mới hiện nay là sử dụng các ion nặng hoặc proton được gia tốc (chẳng hạn như hạt alpha hặc beta) So với bức xạ cổ điển, bức xạ hạt gia tốc có thể tích tụ nhiều năng lượng hơn dọc và duy trì tần số đột biến cao hơn, phổ đột biến ở liều tương đối thấp Điều này là do các hạt được gia tốc nhờ năng lượng tuyến tính cao (LET) gây ra sự ion hóa kéo dài, tác động lớn đến DNA trong một khu vực nhỏ Sự di truyền để sửa chữa dẫn đến việc tạo ra các đoạn DNA tự do, góp phần hình thành sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể và sự mất đoạn lớn Sự sắp xếp lại và biến đổi gen này tạo ra nhiều tổ hợp đột biến gen hơn, do đó phá vỡ sự di truyền liên kết của các tính trạng và từ đó có thể thu được nhiều đột biến với các đặc điểm mong muốn
- Nhân giống đột biến bức xạ không gian:
Nhân giống cây trồng đột biến bằng bức xạ không gian dựa vào việc sử dụng bức xạ từ không gian vũ trụ để tạo ra các biến thể gen trong cây trồng Bức xạ không gian là loại bức xạ năng lượng cao đến từ các nguồn bức xạ tự nhiên bên ngoài Trái Đất, chủ yếu là các tia cosmic Khi các tia cosmic đi qua không gian và tiếp xúc với vật chất trên Trái Đất, chúng tạo ra các phản ứng hạt như phân hạt alpha, beta, và các bức xạ gamma Các tia cosmic có thể tác động lên DNA của cây trồng khi chúng tiếp xúc với mô cây hoặc hạt giống Tổn thương DNA này có thể bao gồm phá hủy DNA, phá vỡ chuỗi, hoặc tạo ra các sự thay đổi gen
1.4 Ý nghĩa, thành tựu của tạo giống cây trồng mới
+ Tăng cường sự đa dạng gen + Tăng cường kháng bệnh và sự chịu hạn + Tăng cường năng suất và chất lượng + Tiết kiệm thời gian và chi phí
+ Nguy cơ về môi trường + Nguy cơ cho sức khỏe con người + Khó khăn trong việc kiểm soát và quản lý
Tạo giống cây mới bằng kỹ thuật hạt nhân không chỉ là một phương pháp tiên tiến mà còn là một công cụ mạnh mẽ trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp Sự kết hợp giữa khoa học và công nghệ đã mở ra những cơ hội mới và tiềm năng lớn cho sự phát triển bền vững của nông nghiệp trong tương lai Đây là một bước quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và sự phát triển của toàn cầu
- Một số cơ sở máy gia tốc hạt trên thế giới:
Hiện nay có rất nhiều cơ sở máy gia tốc hạt trên thế giới, nhưng hầu hết chúng được sử dụng cho nghiên cứu vật lý hạt nhân, rất ít cơ sở được sử dụng cho mục đích phục vụ nông nghiệp Máy gia tốc hạt có thể được chia thành máy gia tốc hạt năng lượng trung bình và cao (mức MeV hoặc GeV) và máy gia tốc hạt năng lượng thấp (mức KeV) Cho đến nay, các cơ sở máy gia tốc hạt năng lượng trung bình và năng lượng cao được sử dụng để nhân giống đột biến bức xạ hạt bao gồm RIBF của Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học (RIKEN, Nhật Bản), TIARA của Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử Quốc gia (QST, Nhật Bản), W- MAST của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Wakasa Wan (WERC, Nhật Bản), LNS của Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia (INFN, Ý), HIRFL của Viện Vật lý Hiện đại, Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS-IMP, Trung Quốc) và CYCIAE100 của Viện Năng lượng Nguyên tử Trung Quốc (CIAE, Trung Quốc) Trong lĩnh vực gây đột biến hạt năng lượng thấp, các cơ sở nghiên cứu tiêu biểu nhất là IBBe-Device của Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS-HIPS, Trung Quốc), IBBT của Đại học Chiang Mai (CMU, Thái Lan)…
Hình 3.5 Một số cơ sở máy gia tốc hạt trên thế giới
Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), đã có 3.365 giống đột biến được đăng ký trong Cơ sở dữ liệu về giống đột biến của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và hơn 1.000 giống mới được sử dụng và quảng bá trên toàn thế giới Khoảng 70% trong tổng số giống đăng ký được tạo ra bằng tia gamma và tia X
Hình 3.6 Số lượng giống đột biến được nghiên cứu cho tới 2020
Việt Nam đã tạo ra được 78 giống cây trồng đột biến và đứng thứ 8 trên thế giới về thành tựu chọn giống đột biến Ở Việt Nam, hơn 90% các giống đột biến được tạo ra nhờ việc sử dụng tia X và tia Gamma Trong đó, đã có rất nhiều các thành tựu chọn tạo giống lúa bằng phương pháp đột biến để tạo ra các giống lúa có năng suất, chất lượng như: DT10, DT11, A20, DT16, ĐV2, ĐB250, MT4, ĐCM1, DT39, DT37, BQ, NPT3, TQ14, Tám thơm đột biến, Khang Dân đột biến, VN98-2… Điển hình như giống lúa DT10 được công nhận chính thức là giống quốc gia vào năm 1990 Thời điểm này, Việt Nam là một quốc gia thiếu hụt nghiêm trọng lương thực, năng suất lúa bình quân chỉ đạt 3,3 tấn/ha Giống lúa DT10 đột biến được đưa vào sản xuất với năng suất bình quân đạt từ 5,5 tấn/ha đến 6 tấn/ha đã trở thành một trong các giống lúa chính trong nhiều năm tại Việt Nam Hay giống lúa Khang dân đột biến được công nhận là giống quốc gia vào năm 2007 Theo Công ty cổ phần giống cây trồng Trung ương, mỗi năm công ty bán ra thị trường trên 3.500 tấn giống Khang dân đột biến với diện tích bao phủ trên 200.000 ha
Năm 2019 ngành lúa gạo Việt Nam lần đầu tiên đánh dấu mốc thăng hạng về phẩm chất gạo bản địa khi gạo thơm Sóc Trăng hiệu ST25 được công nhận là loại gạo ngon nhất thế giới.
Kiểm soát sâu bệnh và cỏ dại
Trong nỗ lực bảo vệ môi trường và sức khỏe con người, việc kiểm soát sâu bệnh trong nông nghiệp đã trở thành một thách thức đối với người nông dân và các nhà khoa học Sự phụ thuộc quá nhiều vào hóa chất nông nghiệp đã gây ra nhiều vấn đề môi trường và sức khỏe công cộng Tuy nhiên, công nghệ bức xạ hạt nhân đang trở thành một lựa chọn hứa hẹn để kiểm soát sâu bệnh và cỏ dại một cách hiệu quả và bền vững Các loài côn trùng gây hại như ruồi giấm, bướm đêm, ruồi xê xê và sâu bọ phá hoại mùa màng và vật nuôi, đe dọa sinh kế của nông dân, gây tổn hại cho thương mại quốc tế, cũng như an ninh lương thực toàn cầu Việc sử dụng các kỹ thuật bức xạ có thể giúp điều chỉnh hoặc quản lý côn trùng gây hại, được gọi là kiểm soát sinh vật gây hại, hiệu quả ngăn ngừa các rủi ro liên quan đến côn trùng đối với cây trồng Các phương pháp sử dụng bức xạ để kiểm soát dịch hại bao gồm kỹ thuật tiệt sinh côn trùng (SIT), tiệt sinh di truyền và kiểm soát sinh học
- Kỹ thuật tiệt sinh côn trùng SIT:
Kỹ thuật tiệt sinh côn trùng là một phương pháp sử dụng bức xạ ion hóa để tiệt sinh lượng lớn côn trùng được nuôi trong phòng thí nghiệm, sau đó chúng được thả ra các khu vực bị nhiễm dịch để giao phối với quần thể gây dịch hại Vì những loài côn trùng đã triệt sinh này không có khả năng sinh sản nên quần thể côn trùng giảm dần theo thời gian Mặc dù cả con đực và con cái vô sinh đều có thể được thả trong trường hợp với nhiều loài côn trùng, nhưng đối với hầu hết các dạng, chỉ thả con đực nhằm tiết kiệm chi phí
Hình 3.4 Cơ chế tiệt sinh côn trùng SIT
SIT là một trong những phương pháp kiểm soát sinh sản côn trùng an toàn nhất và thân thiện với môi trường nhất hiện nay, đảm bảo bảo vệ môi trường thông qua việc giảm sử dụng thuốc trừ sâu Ngoài ra, vì côn trùng vô sinh không thể tự tái tạo, điều này tạo ra giải pháp lâu dài cho vấn đề dịch hại mà không có nguy cơ đưa các loài không phải bản địa vào hệ sinh thái
- Tiệt sinh di truyền (bất dục di truyền):
Tính bất dục di truyền, còn được gọi là tính bất dục F1, là một loại SIT khác, giống với phương pháp truyền thống, vì liên quan đến việc nuôi, chiếu xạ và thả côn trùng đực bán bất dục vào khu vực mục tiêu để giảm khả năng giao phối của các đối tác của chúng
Tuy nhiên, trong kỹ thuật này, con côn trùng đực được nuôi và thả có một mức độ sinh sản nhất định, nhưng tất cả con cái của chúng đều bị vô sinh Những con cái hoàn toàn vô sinh sau khi chiếu xạ, do có xu hướng nhạy cảm hơn với bức xạ Những con đực được chiếu xạ chỉ bị vô sinh một phần và sinh ra những con hoàn toàn vô sinh Việc phóng thích những con đực vô sinh một phần với tính trạng vô sinh di truyền, thường giúp ngăn chặn các quần thể hoang dã ở mức độ lớn hơn so với số lượng tương đương những con đực hoàn toàn vô
25 sinh được thả trong SIT thông thường, vì những con đực có thể tạo ra nhiều bản sao vô sinh trong thế hệ tiếp theo
Hình 3.5 Cơ chế tiệt sinh di truyền
Kiểm soát sinh học là phương pháp có quy mô hàng loạt và phóng thích các loài thiên địch của loài gây hại, như côn trùng săn mồi ăn trứng và ấu trùng của loài gây hại, hoặc ký sinh trùng đẻ trứng vào côn trùng vật chủ của chúng, giết chết côn trùng Không giống như SIT và các phương pháp tiệt sinh di truyền, dựa trên việc sử dụng các kỹ thuật hạt nhân Trong kiểm soát sinh học, các kỹ thuật hạt nhân được sử dụng cho các mục tiêu cụ thể Bức xạ tăng khả năng ứng dụng, tiết kiệm chi phí và an toàn trong việc nuôi trồng, vận chuyển và triển khai các loài thiên địch gây hại này Nó cũng có thể cải thiện kết quả của phương pháp và giảm bớt một số ràng buộc liên quan đến nó
Bức xạ có thể được sử dụng để giảm chi phí tạo các tác nhân kiểm soát sinh học
Trong trường hợp ký sinh trùng, bức xạ làm giảm khả năng phòng vệ tự nhiên của côn trùng vật chủ (tức là phản ứng miễn dịch) để tăng hiệu suất và tỷ lệ sống sót của ký sinh trùng
Hơn nữa, bức xạ giúp ngăn chặn sự phát triển của côn trùng vật chủ, đảm bảo rằng chỉ có ký sinh trùng mới xuất hiện từ nhộng Trong trường hợp một số côn trùng vật chủ sống sót,
26 việc sử dụng bức xạ đảm bảo chúng vô sinh để loại bỏ nguy cơ giải phóng côn trùng vật chủ có thể trở thành loài gây hại trong môi trường mới
Hình 3.6 Cơ chế phương pháp kiểm soát sinh học 2.3 Thành tựu
Kĩ thuật bức xạ để tiêu diệt và kiểm soát côn trùng, sâu bệnh gây hại cho cây trồng trong nông nghiệp đã mang lại nhiều kết quả tích cực và ngày càng được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới So với việc sử dụng hóa chất nông nghiệp, kỹ thuật chiếu xạ không gây ra sự ô nhiễm môi trường từ các chất hóa học độc hại Nó là một phương pháp "xanh" và bền vững hơn đối với môi trường, giúp duy trì cân bằng sinh thái và bảo vệ sức khỏe của cộng đồng Việc sử dụng kỹ thuật chiếu xạ giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào hóa chất nông nghiệp, đồng thời giảm nguy cơ ô nhiễm hóa chất trong sản phẩm nông nghiệp và môi trường Mặc dù có chi phí ban đầu để thiết lập và vận hành các cơ sở chiếu xạ, nhưng trong dài hạn, nó có thể tiết kiệm chi phí so với việc sử dụng hóa chất nông nghiệp Ngoài ra, việc tiêu diệt côn trùng bằng kỹ thuật chiếu xạ có thể nhanh chóng và hiệu quả, giảm thiểu thời gian và công sức của người nông dân.
Phân tích dinh dưỡng đất
Kỹ thuật hạt nhân việc phân tích đất trồng bao gồm các phương pháp sử dụng tia phóng xạ để tương tác với các thành phần trong đất, từ đó xác định được thành phần và hàm lượng của khoáng chất trong đất trong thời gian nhanh chóng với độ chính xác cao
Kỹ thuật hạt nhân bao gồm nhiều phương pháp, sử dụng các tia khác nhau như phương pháp phân tích phổ kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis - NAA), phương pháp quang phổ phát xạ tia X (X-ray fluorescence spectroscopy - XRF),… Các phương pháp này có điểm chung là đều được thực hiện bằng cách chiếu các tia hoặc hạt vi mô vào mẫu đất và ghi nhận sự tương tác giữa các tia và hạt trên và nguyên tử các nguyên tố có trong mẫu đất Do mỗi nguyên tố sẽ có những phản ứng khác nhau, ta có thể xác định được thành phần và nồng độ các chất trong đất một cách chính xác và nhanh chóng
3.2 Phương pháp phân tích phổ kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis –
Phân tích phổ kích hoạt neutron (NAA) là một phương pháp phân tích vật lí hạt nhân không hủy mẫu với độ nhạy và độ chính xác cao, được sử dụng phổ biến trong phân tích đất trồng Phương pháp NAA hoạt động dựa trên việc chiếu neutron lên mẫu, làm cho các nguyên tử trong mẫu hấp thụ các neutron này và hình thành các đồng vị phóng xạ Các đồng vị này sau đó phân rã hạt nhân, phát ra các hạt như neutron, proton, hạt alpha, hạt beta và tia gamma Bằng cách đo lường năng lượng và cường độ của các tia gamma phát ra, ta có thể xác định thành phần và nồng độ của các nguyên tố trong mẫu đất
Phương pháp NAA được thực hiện như sau:
- Chuẩn bị mẫu: Mẫu vật cần được chuẩn bị và đặt trong một thiết bị phản ứng neutron, chẳng hạn như một lò phản ứng hoặc một nguồn neutron nhân tạo khác
- Kích hoạt: Mẫu vật được tiếp xúc với dòng neutron, và các nguyên tố trong mẫu hấp thụ các neutron này và trở thành đồng vị phóng xạ
- Phát xạ: Sau khi kích hoạt, do các đồng vị phóng xạ bắt đầu quá trình phân rã hạt nhân và phát ra năng lượng dưới dạng động năng của các hạt alpha, beta, neutron, proton và tia gamma
- Đo và phân tích: Các tia phổ gamma được đo bằng cách sử dụng các thiết bị phát hiện phổ, chẳng hạn như máy quang phổ tia gamma (gamma-ray spectrometer) hoặc các loại cảm biến tia gamma khác, để xác định năng lượng và cường độ của chúng Dựa vào thông tin này, các nguyên tố và nồng độ của chúng trong mẫu có thể được xác định
Hình 3.7 Sơ đồ quá trình NAA với hạt nhân 59 Co là mục tiêu
Sau khi bắt được một neutron tự do, hạt nhân kích thích 60mCo trải qua quá trình biến đổi bằng cách phát ra tia gamma Hạt nhân con 60Co có năng lượng thấp hơn, vẫn có tính phóng xạ, sau đó phát ra một hạt beta, biến nó trở thành hạt nhân 60Ni có năng lượng cao, một lần nữa trải qua một quá trình biến đổi bằng cách phát ra tia gamma Hạt nhân sau đó đạt đến trạng thái ổn định 60Ni
Phương pháp NAA có ưu điểm là độ chính xác cao, không cần mẫu phải tiếp xúc với chất lỏng hay hóa chất, và có thể xác định cùng một lúc nhiều nguyên tố khác nhau trong một mẫu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là quá trình kích hoạt có thể làm thay đổi nồng độ các chất có trong mẫu ban đầu
3.3 Phương pháp quang phổ phát xạ tia X (X-ray fluorescence spectroscopy - XRF)
Phương pháp quang phổ phát xạ tia X (XRF) là một kỹ thuật phân tích không phá hủy được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu Nó hoạt động dựa trên nguyên lý như sau:
- Khi một nguyên tử bị bắn bởi tia X có năng lượng cao, nó sẽ rơi vào trạng thái “kích thích” Việc bắn tia X vào nguyên tử sẽ làm cho các election ở lớp vỏ trong bị bắn ra khỏi nguyên tử
- Việc loại bỏ các electron ở lớp vỏ bên trong làm cho nguyên tử mất ổn định, khiến cho các electron từ mức năng lượng cao hơn, nghĩa là các electron di chuyển ở các lớp phía ngoài, "rơi" xuống mức năng lượng thấp hơn, lấp đầy chỗ trống gây ra bởi các electron bị bắn ra ngoài, đồng phát ra năng lượng dưới dạng tia X phụ
- Các tia X phụ phát ra này có tính đặc trưng, khác nhau giữa nguyên tử có mặt trong mẫu đất Bằng việc phân tích năng lượng và cường độ của các tia X phụ này, người ta có thể xác định được các thành phần hóa học có trong mẫu đất
Phương pháp XRF có thể được thực hiện bằng hai cách: quang phổ phát xạ tia X phân tán năng lượng (EDXRF) và quang phổ phát xạ tia X phân tán bước sóng (WDXRF)
- Quang phổ phát xạ tia X phân tán năng lượng (Energy-dispersive X-ray fluorescence - EDXRF): Trong kỹ thuật này, một máy dò sẽ đo trực tiếp năng lượng của tia X phát ra Năng lượng của quang phổ tia X được phát hiện sẽ tương ứng với nguyên tử nguyên tố đã phát ra nó trong mẫu EDXRF thường được sử dụng để phân tích định tính, cách thức thực hiện tương đối đơn giản và linh hoạt
- Quang phổ phát xạ tia X phân tán bước sóng (Wavelength-dispersive X-ray fluorescence - WDXRF): Phương pháp này sử dụng nhiễu xạ để tách các tia X có bước sóng khác nhau, cho phép đo năng lượng của chúng chính xác hơn WDXRF thường cung cấp độ nhạy và độ phân giải tốt hơn so với EDXRF và thường được dùng để phân tích định lượng khi yêu cầu độ chính xác cao hơn
Phương pháp XRF được thực hiện như sau:
Phân bón hạt nhân
Phân bón hạt nhân là loại phân bón được tạo ra hoặc xử lý bằng cách sử dụng công nghệ hạt nhân, bao gồm sự sử dụng bức xạ gamma hoặc các phương pháp khác liên quan đến năng lượng hạt nhân Mục tiêu của việc sử dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất phân bón là cải thiện hiệu quả và hiệu suất của phân bón, giúp tăng cường năng suất và bền vững trong nông nghiệp
Phân bón hạt nhân có thể có nhiều dạng và ứng dụng khác nhau, nhưng một số phân loại phổ biến bao gồm:
- Phân bón chậm tan: Đây là loại phân bón được thiết kế để giải phóng chất dinh
31 dưỡng một cách từ từ và liên tục trong một khoảng thời gian dài, giúp cung cấp dinh dưỡng liên tục cho cây trồng
- Phân bón tiệt trùng: Sử dụng bức xạ gamma hoặc các phương pháp khác để tiêu diệt vi sinh vật có hại trong phân bón, giúp ngăn chặn sự lây lan của bệnh tật và bảo vệ sức khỏe cây trồng
- Phân bón phóng xạ: Là phân bón được xử lý bằng bức xạ gamma hoặc các loại bức xạ khác để cải thiện tính chất vật lý hoặc hóa học của phân bón, tạo ra các sản phẩm có hiệu suất sử dụng cao hơn
Nguyên lý của phân bón hạt nhân liên quan chủ yếu đến việc sử dụng năng lượng hạt nhân, đặc biệt là bức xạ gamma, để cải thiện tính chất và hiệu suất của phân bón Dưới đây là một số nguyên lý cơ bản:
- Sử dụng bức xạ gamma để cải thiện tính chất phân bón
+ Thay đổi cấu trúc hoá học: Bức xạ gamma có khả năng tác động lên các phân tử trong phân bón, gây ra các phản ứng hóa học và thay đổi cấu trúc của chúng Điều này có thể cải thiện tính chất vật lý và hóa học của phân bón, làm tăng hiệu quả sử dụng
+ Tiêu diệt vi sinh vật có hại: Bức xạ gamma có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc và vi sinh vật khác trong phân bón, giúp ngăn chặn sự lây lan của bệnh tật trong đất và bảo vệ cây trồng khỏi các bệnh hại
- Tạo phân bón chậm tan
Bức xạ gamma có thể được sử dụng để thay đổi cấu trúc của các chất trong phân bón, tạo ra các dạng phân bón chậm tan Điều này giúp phân bón giải phóng chất dinh dưỡng một cách từ từ và liên tục trong thời gian dài, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng theo nhu cầu
- Tối ưu hoá hiệu suất sử dụng
Sử dụng bức xạ gamma để cải thiện hiệu suất sử dụng của phân bón, giảm thiểu sự lãng phí và tổn thất, từ đó tăng cường năng suất và bền vững trong nông nghiệp
- Đảm bảo an toàn và bảo vệ môi trường
Quá trình sản xuất và sử dụng phân bón hạt nhân cần tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và bảo vệ môi trường nghiêm ngặt, đảm bảo rằng không gây ra nguy hại cho con người và hệ sinh thái
4.3 Quá trình tạo ra phân bón hạt nhân
- Lựa chọn nguyên liệu: Chọn lọc nguyên liệu phù hợp để tạo ra phân bón, bao gồm các thành phần như chất hữu cơ, khoáng sản và các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng
- Pha trộn: Kết hợp các nguyên liệu theo tỷ lệ nhất định để tạo thành hỗn hợp phân bón
- Xử lý bức xạ gamma: Hỗn hợp phân bón được đặt trong một thiết bị xử lý bức xạ gamma, nơi nó sẽ tiếp xúc với tia gamma từ nguồn phóng xạ Tia gamma sẽ tác động lên hỗn hợp phân bón, gây ra các phản ứng hóa học hoặc vật lý
- Kiểm tra và điều chỉnh: Sau khi xử lý bức xạ, mẫu phân bón được kiểm tra để đảm bảo rằng chất lượng và đặc tính của nó đáp ứng các tiêu chuẩn cần thiết Nếu cần, điều chỉnh các thông số và điều kiện xử lý để đạt được kết quả mong muốn
- Nghiên cứu về hấp thụ dinh dưỡng: Các đồng vị phóng xạ được sử dụng như những dấu vết để theo dõi quá trình hấp thụ và chuyển động của các chất dinh dưỡng từ phân bón trong cây trồng Điều này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về hiệu quả của các loại phân bón khác nhau và cách thức các chất dinh dưỡng được cây trồng sử dụng
- Tối ứu hoá liều lượng và công thức phân bón : Kỹ thuật này giúp xác định liều lượng và công thức phân bón phù hợp để tối đa hóa việc hấp thụ dinh dưỡng và giảm thiểu tác
33 động tiêu cực đến môi trường, như giảm ô nhiễm nguồn nước do chảy rửa phân bón
- Cải thiện các loại phân bón chậm tan: Các nghiên cứu có thể sử dụng các đồng vị phóng xạ để theo dõi và tối ưu hóa các công thức của phân bón chậm tan, giúp phóng thích chất dinh dưỡng một cách từ từ và bền vững, phù hợp với nhu cầu của cây trồng.
