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 emđã làm quen, tì
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2
ĐỀ TÀI 19: Ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong y tế
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2
ĐỀ TÀI 19: Ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong y tế
Lớp: L21 Nhóm: 2
Trang 4LỜI NÓI ĐẦU
Bộ môn Vật lý là một môn khoa học tự nhiên tập trung vào sự nghiên cứu vật chất và
chuyển động của nó trong không gian vàthời gian, cùngvới những kháiniệm liên quan
như năng lượng, lực, cácthuyết Một cáchrộng hơn nó làsự phân tíchtổng hợp về
tự nhiên,được thực hiện để thể hiện cách biểu hiện cáitrật tự lạ lùngcủa vũ trụ này
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 emđã làm quen, tìmhiểu về một chủ đề về vũ trụ đó là“ Ứng dụng của kỹ thuật
hạt nhân trong y học”.Bởi vì là một chủ đề vô cùng thú vị và độc đáo nên đã hấp dẫn
chúng em đến để làm về nó Và để hiểu rõ hơn về nó thì chúng ta sẽ cùng tìm hiểu ở
những phần sau
Sau một thời gian tìm hiểu thu thập tài liệu làm việc nhóm cùng nhau dưới sự hướng
dẫn nhiệt tình từ các giảng viên thì nhóm chúng em đã hoàn thành được bài báo cáo
này Mặc dù đã cố gắng hết khả năng của mình nhưng do trình độ kiến thức sự hiểu
biết và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tráng khỏi có những sai sót Nhóm chúng
emrất mong nhận được những góp ý,nhận xét,đánh giá,của giảng viên và các bạn đề bài báocáo được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chânthành cảm ơn.
Trang 5DANH MỤC HÌNH ẢNH 6
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 7
1.2 Yêu cầu 7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
2.1 Các khái niệm cơ bản về hạt nhân 8
2.2 Các đại lượng cơ bản trong kĩ thuật hạt nhân 9
2.2.1 Khối lượng nguyên tử và khối lượng phân tử 9
2.2.2 Bán kính hạt nhân: 10
2.2.3 Khối lượng và năng lượng 12
2.2.4 Bước sóng của hạt 12
2.2.5 Phân rã phóng xạ 13
2.3 Trạng thái kích thích và sự phát xạ của nguyên tử 14
2.4 Phân loại phản ứng 15
2.5 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân 16
2.5.1 Định luật bảo toàn điện tích và số nucleon 16
2.5.2 Định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng 17
2.5.3 Định luật bảo toàn chẵn lẻ 17
2.5.4 Định luật bảo toàn spin đồng vị 18
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG Y TẾ 19
3.1 Sơ lược về ngành kĩ thuật hạt nhân trong y tế 19
3.2 Ứng dụng để chẩn đoán và điều trị trong y học hạt nhân? 19
3.3 Một vài nét về ứng dụng các đồng vị phóng xạ trong lâm sàng 20
3.3.1 Chẩn đoán bệnh bằng đồng vị phóng xạ (ĐVPX): 20
Trang 6DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Cácmức năng lượng (eV) của nguyên tử hydro 15
Hình 3.1 Hìnhảnh cho được từ máy PET, PET/CT 19
Hình 3.2 Bácsĩ thực hiện chẩn đoán qua hình ảnh 21
Hình 3.3.Điều trị bệnh bằng ĐVPX 21
Hình 3.4.Cấu tạo hailoại máy SPECT 22
Hình 3.5 Quan sáttế bào 23
Hình 3.6 Quan sátsự thayđổi mô xương chẩn đoán bệnh 23
Hình 3.7. Nguyên lý thuảnh máy PET 24
Hình 3.8 Máy PET CT 25
Hình 3.9 Hìnhảnh kết hợp của PET và CT 26
Hình 3.10.Di căn của K giáp trạng: sau cắt bỏ tuyến giáp ghi hình với SPECT/CT: CT (-), SPECT (+) 26
Trang 7CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu về đề tàiMỗi khiđề cập đến ngànhnăng lượng nguyêntử, người tathường nhớ ngayđến
ứng dụng năng lượng – tạo rađiện hạt nhân – nhưng lại dễ dàng bỏ quamột ứng
dụng hết sức mật thiết của nó đối với sức khỏe: cung cấp các dược chất phóng
xạ và đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị ung thư Với việc đưa các
vật chất phóng xạ vào cơ thể và tập trung vào cơ quan đích trong một khoảng
thời gian nhất định, các bác sĩ và kỹ thuật viên y học hạt nhân có thể ghi hình
(xạ hình) các cơ quan bên trong thông qua việc thu nhận tín hiệu phân bố của
dược chất phóng xạ trên các thiết bị như máy Gamma Camera, SPECT,
SPECT/CT, PET, PET/CT Nếu phát hiện ra những khối u bất thường, các bác
sĩ sẽ dùng nhiều phương pháp phù hợp để điều trị cho bệnh nhân, một trong số
đó là xạ trị – đưa các đồng vị phóng xạ hay dược chất phóng xạ theo các chất
mang vào trong cơ thể người bệnh bằng nhiều con đường khác nhau (tiêm,
uống…), theo dòng tuần hoàn đến từng cơ quan đích, tiêu diệt tế bào ung thư
nhưng hạn chế tối đa tổn thương chotế bào lành.
1.2 Yêu cầu Trình bàytổng quanvề đề tài và nêuđịnh luật, kháiniệm, những nguyên lýcũng
như ứng dụng thực tế Cuối bài nêu ý nghĩa thực tiễn của đề tài và định hướng
ứng dụng tronglĩnh vực nào Sinh viêncần đọc và tìmhiểu các tàiliệu liên quan
đến đề tàinhằm nắm rõ và cóthể cóđịnh hướng viết đề tài
Trang 8CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 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 100triệu tấn trênmột xăng-ti-métkhối), 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 nguyêntử có kíchthước nằm trong vùnggiới hạn bởi bán kínhcỡ 10−15
m,được cấu tạo từ hai thành phần sau:
Proton: là loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng bằng 1.67262158 ×
10−27 kg (938.278 MeV/c²) và spin +1/2 Trong tiếng Hy Lạp, proton có
nghĩa là"thứ nhất". Protontự do cóthời giansống 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
1.67492716 × 10−27 kg (939.571 MeV/c²) 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 điện tử (electron)và một phản nơtrino.
Vật lý hạt nhân là một nhánh của vật lý đi sâu nghiên cứu về hạt nhân của
nguyên tử (gọi tắt là hạt nhân) Các ứng dụng phổ biến nhất được biết đến
của vật lý hạt nhân là sự tạo năng lượng hạt nhân và công nghệ vũ khí hạt
nhân, nhưng các nghiên cứu đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm trong y học hạt nhân, hình ảnh cộng hưởng điện từ, cấy ion trong kỹ thuật
vật liệu, bức xạ cacbon xác định tuổi trong địa chất học và khảo cổ học Vật
lýhạt nhângồm 3 phần: môtả cáchạt cơ bản (prôtôn vànơtrôn) và cáctương tácgiữa chúng, phân loại và trình bày các tínhchất của hạt nhân, và cungcấp
các kỹ thuật tântiến mà nó manglại.
Kỹ thuật hạt nhân là ngànhkỹ thuật tập trung vào cácứng dụng của các quátrình phânhạch, nhiệt hạch, cùngvới những hiện tượng vật lý hạ nguyêntử
Trang 96
dựa trên những nguyên lý cơ bản nhất của vật lý hạt nhân Đối với chuyên
ngành phân hạch, kỹ thuật hạt nhân bao gồm luôn các vấn đề về thiết kế và
bảo trì những hệ thống và chi tiết như lò phản ứng hạt nhân, nhà máy điện
hạt nhân, hay thậm chí là vũ khí hạt nhân Ngành này còn nghiên cứu về yhọc hạt nhân, và nhiều ứng dụng khác ví dụ như quá trình bức xạ ion hóa,
an toàn hạt nhân, lưu chuyển nhiệt, chu kỳ nhiên liệu hạt nhân, cùng với
những kỹ thuật như xử lý chất thải hạt nhân và những vấn đề về phổ biến vũ
Trang 106
Côngthức (1.1)
Trongtự nhiên, các nguyêntố 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, tương ứng là tỉ lệ phần trăm và
khối lượng của đồng vị thứ i khối lượng nguyên tử M của nguyêntố 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 oxy là 2 × 15,99938 = 31,99876
Sử dụng số Avogadro ( = 6,022045 10 23), có thể tính khối lượ ng của 1 nguyên tử hay 1 phân tử Ví dụ 1 mole của12 chứa nguyên tử nên khối
lượ ng của 1 nguyên tử 12 là:
Thông thường, khối lượng của một nguyên tử được biểu thị theo đơn vị khối
lượng nguyêntử (amu).Một amuđược định nghĩa là 1/12khối lượng nguyêntử 12C trung hòa:
Trang 11= 1, 6.10 13 J),hoặc bằng các hạt mangđiện. Các thínghiệm chứng tỏ hầu hết các
hạt nhân códạng hìnhcầu, vàđều cónhững kết quả về kíchthước gần như nhau.
Bán kínhR của hạt nhân có số khối lượng A được cho bởi công thức:
Như vậy, kíchthước hạt nhântỷ lệ với số các nucleon.Điều đó có nghĩa là,mật
độ khối lượng của tất cả các hạt nhân hầu như bằng nhau vào khoảng 3.10 17
kg / m3 .Kết quả nàynghiệm được dễ dàng:
Trang 12 M nh a n
4 R3 m p A
4 (1,1)3 A.10 45
1017 kg / m3
Mật độ khối lượng hạt nhâncực kỳ lớn. Thực nghiệm chứng tỏ khối lượng không phân bố đều màtập trungở giữa tạo thành lõi, còn ở lớp ngoàimặt, mật độ khối
lượng giảm nhanh.
Để xácđịnh kíchthước hạt nhân, ngoài những phương pháp dùnghạt đạn bắn
phá hạt nhân, người ta còn dựa vàohệ thức bất định về năng lượng E t : h. Nội dungcủa phương pháp nàynhư sau Theo Yukawa, các nucleon thực hiện tương tác với nhau bằng cách traođổi với nhau các mêzôn
Có ba hạt nhân mezon : , , o Khối lượng của các hạt nằm trong khoảng (200 300)me Cóthể xảy racác sơ đồ traođổi sau:
p n n p p p o n n o
Quá trình nàytự phátxảy rakhông cần cónăng lượng từ ngoài.Sự traođổi trên
kèm theođộ biến thiênnăng lượng E Theocơ học lượng tử thì E chính làđộ
bất định năng lượng của hệ các nucleon Độ bất định này (vàocỡ năng lượng
nghỉ của hạt ) chỉ tồn tại trong khoảng thời gian:
t: h h
E m c2
Cáchạt traođổi ở trênđược gọi là các hạt “ảo”. Hạt nàychỉ tồn tại trong
khoảng thời gian t trên Trongkhoảng thời gian này, hạt chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng c vàđi được một khoảng cách vào cỡ:
r o c t h
m c2 1, 4.10
15 m
Vậy nếu hai nucleon cách nhaumột khoảng lớn hơn r o, thì hạt ảo không kịp
đi từ nucleon này đến nucleon khác, nghĩa là không có sự tương tác giữ hai
Trang 13hạt nhân Nó nói lên lực này có tác dụng tầm ngắn.
Trang 14Thực nghiệm chứng tỏ các nucleon không phải có kích thước điểm Chúng có
Như vậy, quanh nucleon luôntồn tại một đám mây các mezon ảo. Hạt proton,
mà tathường quanniệm trongthực tế, làmột cái lõi(gọi là nucleon“trần”) được
bán kính Rđược xác định bởi (8.2).
Ngoài ra,người tacũng cóthể xácđịnh R bằng cách so sánhnăng lượng liênkết
2.2.3 Khối lượng và năng lượng:
a Khối lượng hạt nhân
_Trong vật lý hạt nhân, để đo khối lượng hạt nhân, người ta dùng dơn vị khối
lượng nguyêntử, ký hiệu là u (1 = 1,6605402 10 − 27kg _Theo hệ thức Einstein: = 2
_Năng lượng tương ứng có khối lượng 1u:
_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 tháicơ bản. Ngoàiviệc thực sự phát ra tiaγ, còn cómột 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 γ nàyđã đóng một vai
Trang 15trạng thái kích thích Một ví dụ điển hình là nghiên cứu mức độ quay của hạt
nhân bởi một loạt tia γ chuyển tiếp E2, nhưng gần đây, như một phần mở rộng
của điều này, một trạng thái kích thích với mômen động lượng lớn khó phân rã
dosự phátxạ hạt như nơtron và hạt α. Nghiêncứu đang thu hútsự chú ý
_Bức xạ gamma (γ) bao gồm các photon có bước sóng nhỏ hơn 3x10 −11 mét
(lớn hơn 10 19 Hz và 41,4 keV) [4] Phát bức xạ gamma là một quá trình hạt
nhân xảy ra để loại bỏ năng lượng dư thừa của một hạt nhân không ổn định sau
hầu hết các phản ứng hạt nhân.Cả haihạt alpha và betađều cóđiện tích vàkhối
lượng, do đó có nhiều khả năng tương tác với các nguyên tử khác trên đường đi
của chúng Tuy nhiên, bức xạ gamma baogồm các photon, không cókhối lượng
cũng như điện tích và do đó, xuyên qua vật chất sâu hơn nhiều so với bức xạ alphahoặc beta.
2.2.5 Phân rã phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ là quá trình vật lý biến đổi tự phát của hạt nhân nguyên tử.Hạt nhân ban đầu được gọi là hạt mẹ, hoặc hạt nhân mẹ Hạt nhân phóng xạ
tương ứng còn được gọi là mẹ (cha)một Hạt nhân xuất hiện do biến đổi phóng
xạ được gọi làhạt nhân con , hay hạt nhân con Cùng tên của hạt nhân phóng
xạ thuđược. Cáchạt nhânmẹ và con và cáchạt nhân phóngxạ cấu tạo từ chúng
được gọi là liênkết ditruyền. Nếu hạt nhân con làchất phóngxạ, họ nóivề chuỗi
biến đổi phóngxạ, hoặc về chuỗi (họ) phóngxạ. Tất cả các nguyêntố trongchuỗi phóngxạ cũng được gọi lànhững nguyêntố có liênkết di truyền.
Tínhchất của các tia phóngxạ:
Trang 160
2.2.6 Độ phóng xạ _Trong quá trình phóngxạ,số hạt nhâncủa chất phóngxạ sẽ giảm theothời gian
_Giả sử ở thời điểm t,số hạt nhânchưa bị phân rãcủa các phóngxạ là N.Sauthời
gian dt,số các hạt nhân của các phóng xạ giảm đi -dN Độ giảm -dN tỷ lệ với N
vàvới thời gian dt theohằng số phân rã :
_Trong hệ SI,đơn vị của H là Becquerel (Bq) (1 Bq = 1 phân rã /s).Ngoài ra
người ta còn dùngđơn vị Curi(Ci) (1 Ci = 3, 7.10 10 Bq và mCi= 10 Ci, Ci=10 Ci hay pCi= 10 12 Ci)
2.3 Trạng thái kích thích và sự phát xạ của nguyên tử Các electroncủa nguyên tử bao quanhhạt nhânchuyển động
theo các quỹ đạo xác định Trong số đó, có một số electron liên kết
mạnh hơn với nguyêntử. Ví dụ, chỉ cần 7,38 eVđể tách electronngoài cùng rakhỏi nguyên tử Pb (Z = 82), trong khiđể 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 nhưHình 2.3cho mô tả trạng thái của nguyên tử
Trang 17electron bị tách hoàn toàn khỏi nguyên tử, và lúc này nguyên tử bị ion hóa.
Một nguyên tử khôngthể 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 tháicơ bản.
H ình 2.1 Các mức năng lượng (eV) của nguyên tử hydro
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 eVchuyển về trạng tháicơ bản, nó phát ra 1 photon Theo Côngthức 1.19, bước sóng của photon này là = 1,240.10−
6
10,19 = 1,217 10 − 7
Trang 18- Phản ứng dưới tácdụng của neutron;
- Phản ứng dưới tác dụng của hạt tích điện;
- Phản ứng dướitácđộng của tia (quang phản ứng);
Và theo quanđiểm về cơ chế tương tác, cóthể chia ra làm ba loại tương tác:
- Phản ứng qua giai đoạn trung gian bằng cách tạo hạt nhânhợp phần;
- Các nghiêncứu thực nghiệm chothấy rằng trongtất cả cáctrường hợp thìtổng
số điện tíchcủa cáchạt tham gia phản ứng bằng tổng điện tíchcủa cácsản 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 vídụ chođịnh luật bảo toàn điện tích và nucleon
Bảng 2.1 Một số phản ứng hạt nhân bảo toàn điện tích, nucleon