phóng xạ sinh vật học

Trong điều kiện có tác nhân kích thích, Hạt nhân được bổ sung một nguồn năng lượng, sự sắp xếp các nucleon sẽ khác sự sắp xếp ở trạng thái cơ bản, hạt nhân bị kích thích ứng với mức năng

CHƯƠNG VIII PHÓNG XẠ SINH VẬT HỌC

( Bức xạ ion hóa đối với cơ thể sinh vật )

Chúng ta hiểu bức xạ ion hóa là những bức xạ mà trong quá trình tương tác với vật chất tạo nên các chất ion (+), (-) và các electron tự do, một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Trong phần này chúng ta đề cập đến các loại bức xạ là các tia phóng xạ và tia rơnghen (tia X) Đó là những bức xạ ion hóa tác động đến cơ thể sống, nhất là với con người

I Bản chất của một số loại bức xạ ion hóa

1 Tia phóng xạ :

Đó là những tia ion hóa được phát ra từ hạt nhân nguyên tử có tính phóng

xạ Để hiểu rõ hơn bản chất và nguồn gốc các tia phóng xạ, chúng ta lần lượt tìm hiểu sơ lược các vấn đề sau :

a Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Năm 1932, Ivanenko và Haidenbec đưa ra giả thuyết: hạt nhân của mọi nguyên tử đều được cấu thành từ 2 loại hạt sau

- Proton (p) : Là loại hạt mang điện dương, về giá trị tuyệt đối đúng bằng điện tích cơ bản tức là điện tích của 1 electron : 1,6.10-19C và có khối lượng bằng khối lượng hạt nhân hydro nhẹ

- Nơtron (n) : Là loại hạt trung hòa về điện, có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một ít ( mp = 1,00759 đvn; mn = 1,00898 đvn )

đvn : đơn vị khối lượng nguyên tử và bằng 1,66.10-24g

Cả hai loại hạt proton và nơtron có một tên chung là nucleon ( cấu tử hạt nhân ) Về sau người ta đã thừa nhận giả thuyết của 2 tác giả trên là hoàn toàn đúng

Số proton trong hạt nhân bằng đúng số thứ tự z trong bảng tuần hoàn Menđêleep của nguyên tố tương ứng Z cũng chính là điện tích hạt nhân khi ta tính bằng đơn vị điện tích nguyên tố Tổng số các nucleon có trong hạt nhân là

số khối lượng và ký hiệu là A Do đó số nơtron trong hạt nhân sẽ là : N = A - Z

+ Người ta thường ký hiệu một hạt nhân nguyên tử như sau : A X

Z hay

A

Z X , trong đó X là ký hiệu của nguyên tố hóa học tương ứng.

Ví dụ : Hạt nhân Heli 4 He

2 hoặc 4

2 He ( Z = 2, A = 4 ) + Những hạt nhân có cùng số Z nhưng có số N khác nhau được gọi là những hạt nhân đồng vị và các nguyên tố tương ứng gọi là các nguyên tố đồng

vị, chúng được xếp vào 1 ô của bảng phân loại tuần hoàn Menđêleep

Ví dụ : Nguyên tố Hydro có 3 đồng vị

Hydro : 1

1 H , Đơteri : 2

1 H ( hoặc 2

1 D ) (d), Triti : 3

1 H ( hoặc 3

1 T ) (t ) Thông thường mọi nguyên tố hóa học đều có những nguyên tố đồng vị khác nhau

Cacbon C12, C13, C14; N14, N15; O16, O17, O18

+ Trong điều kiện bình thường hạt nhân ở trạng thái cơ bản ứng với mức năng lượng thấp nhất gọi là mức năng lượng cơ bản E0 Trong điều kiện có tác nhân kích thích, Hạt nhân được bổ sung một nguồn năng lượng, sự sắp xếp các nucleon sẽ khác sự sắp xếp ở trạng thái cơ bản, hạt nhân bị kích thích ứng với mức năng lượng Ei( i = 1, 2, 3 n ) Tất nhiên Ei> E0 Người ta nhận thấy với một loại hạt nhân xác định các giá trị của Ei là hữu hạn và xác định

Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích ( Ei ) về một trong những mức năng lượng thấp hơn ( E0) hạt nhân sẽ phát ra một proton có năng lượng đúng bằng hiệu số hai mức năng lượng đó ( Ei - E0 ) Như vậy hạt nhân là một hệ lượng tử

b Hiện tượng phóng xạ Bản chất và nguồn gốc tia phóng xạ.

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác, hoặc một trạng thái năng lượng cao về một trạng thái năng lượng thấp hơn, trong quá trình biến đổi đó hạt nhân phát ra những tia không nhìn thấy được có năng lượng cao gọi là tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân

Nguyên tố hóa học mà hạt nhân của nó mang tính phóng xạ gọi là đồng

vị phóng xạ Những đồng vị phóng xạ có sẵn trong thiên nhiên gọi là đồng vị phóng xạ tự nhiên, những đồng vị phóng xạ do con người tạo ra gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo

Đồng vị phóng xạ bền bao gồm những chất có hạt nhân ở trạng thái ổn định Tỷ số n0/p = 1 - 1,5 Nếu như số nơtron quá nhiều hoặc quá ít thì hạt nhân

sẽ không tồn tại được và bị phân rã, tạo nên những hạt nhân nguyên tố khác, đó

là các đồng vị phóng xạ không bền Trong quá trình phân rã hạt nhân từ các đồng vị phóng xạ sẽ phát ra tia (β), tia alpha (α )và tia gama (γ ).

+ Phân rã beta âm - negaton ( β −)

Trong hạt nhân của những đồng vị có số nơtron nhiều hơn số proton có thể xảy ra hiện tượng biến một nơtron thành một proton đồng thời phát ra một hạt electron ( hạt β −) Electron này sinh ra từ trong lòng hạt nhân và không liên quan gì với electron quỹ đạo

Sơ đồ phân rã như sau :

A

Z X 32

15 P (14,2 ngày )

β − β −(1,71.MeV)

A

1

Z+Y 32

16 S

Phương trình phân rã β −như sau :

A

Z X A

1

Z+Y + β −+ Q ( n p + β −+ Q ) Như vậy bức xạ β − ( negatron ) dẫn đến việc tăng điện tích hạt nhân lên một đơn vị nhưng không làm thay đổi số khối

+ Trong hạt nhân số proton nhiều hơn số nơtron có thể xảy ra hiện tượng một proton thành nơtron đồng thời phát ra hạt pozitron (β +) còn gọi là điện tử dương ( e+ )

Sơ đồ phân rã như sau :

A

Z X 13

7 N (10phút )

β + β + (1,2 MeV)

A

1

-Z Y 13

6 C

Phương trình phân rã β +như sau :

A

Z X A

1

-Z Y + β + + Q ( p n + β + + Q )

Về sau người ta nhận thấy trong các hiện tượng phân rã β ± ngoài pozitron và negaton, từ hạt nhân còn phát ra một loại hạt khác gọi là nơtron (ν )

n p + β −+ ν + Q

p n + β + + ν + Q

+ Phân rã (α ) : Loại phân rã này chỉ xảy ra ở những hạt nhân của các

nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn Trong quá trình này từ hạt nhân phát ra hạt anpha (α ) Hạt α là hạt nhân của nguyên tử Heli được tạo thành bởi mối

liên kết mạnh giữa một cặp proton và một cặp nơtron Do đó sự phân rã này dẫn đến làm giảm khối lượng và điện tích của hạt nhân ( khối lượng giảm 4, điện tích giảm 2 )

3

Sơ đồ chung của phân xã α

A

Z X 226

88 Ra (Ra : Rađi )

α 14,61Meν α24,79Meν

α 6,5%

γ

0,18Meν

4

-A

2

n

86 R (Rn : Rađon ) Phương trình biến đổi của phân rã α là :

A

Z X A - 4

2

2 He + Q

Q là năng lượng phát ra thể hiện dưới dạng động năng của các hạt α

+ Phát xạ tia (γ ) từ hạt nhân : Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái

bị kích thích về trạng thái cơ bản hay về trạng thái bị kích thích ứng với mức năng lượng thấp hơn, từ hạt nhân sẽ phát ra tia gamma ( còn gọi là lượng tử gamma, proton gamma ) Bản chất tia γ là sóng điện tử với bước sóng cực ngắn

(λ <1A0) Vì vậy quá trình phát ra tia γ không làm thay đổi cấu tạo của hạt nhân

mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó

Đa số các hạt nhân mới tạo thành sau các phân rã β ±, α đều ở trạng thái

bị kích thích, vì vậy sau các phân rã này thường kèm theo phát ra tia gamma

Sơ đồ phân rã phóng xạ phát ra tia γ

60

0

27 C (5,2 năm ) 228

90 Th (1,9

năm )

α 1 α2 α 3 α4

(5,17Meν ) (5,21Meν ) (5,34Meν )

(5,42Meν )

β −(0,31Meν ) (0,2%) (0,4%) (28%)

(71%)

100% 0,25Meν γ1

γ 12,5Meν 0,22Meν γ3

1,33Meν 0,08Meν γ2

γ 2 γ4

60 0

88 Ra

Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích Ei về trạng thái có năng lượng thấp Ep giải phóng tia γ

E = Ei - Ep = h ν

h : Hằng số plant ν : tần số

+ Tia γ có năng lượng < 100KeV gọi là tia mềm.

+ Tia γ có năng lượng 10KeV - MeV trong quá trình phân rã hạt nhân

chất đồng vị phóng xạ Trong phản ứng hạt nhân tia γ có năng lượng khoảng

20MeV

Trong phóng xạ sinh vật học người ta thường dùng nguồn tia γ là đồng vị phóng xạ Co 60 với thời gian bán phân rã là 5,3 năm

60

Co Ni 60 + γ 1 + γ2

1

γ có năng lượng 1,17 MeV

2

γ có năng lượng 1,33MeV

+ Tia proton :

Trong các phản ứng hạt nhân cơ thể Proton được phóng ra

Ví dụ : Khi bắn tia α vào Ni 60 Zn 63 + no

Ni 60 + α Zn 64 Zn 62 + 2no

Cu62 + p + no

+ Tia nơtron :

Tia nơtron có thể tạo ra thành nhiều cách

9

4 Be + 4

2 α 12

6 C + no

Tia nơtron không có khả năng gây hiệu ứng ion hóa chúng tương tác với hạt nhân đánh bật Proton ra khỏi hạt nhân

Nơtron + hạt nhân Proton

Ngoài ra còn có nơtron nhiệt không có khả năng đánh bật proton ra khỏi hạt nhân mà chính chúng bị hạt nhân nguyên tử hấp phụ Khi bị hấp phụ chúng

sẽ giải phóng ra tia γ cực mạnh.

Tia nơtron còn có thể thu được trong các lò phản ứng hạt nhân

235

92 U + no 83

56 Ba + 3no + γ + Q

235

92 U + no 90

38 Sr + 144

54 Xe + 2no + γ + 200MeV

2.Tia Rơnghen

5

Năm 1895 nhà bác học Rơnghen người Đức trong quá trình nghiên cứu sự phóng điện trong khí kém đã phát hiện ra một loại tia có khả năng đâm xuyên qua lớp vật chất mỏng, làm đen kính ảnh Rơnghen tên loại tia này là tia X, sau này người ta gọi là tia Rơnghen

a.Nguồn phát tia Rơnghen :

Gồm 2 khối chính

Tia X K

- Khối thứ nhất là 1 bóng rơnghen Bóng này là 1 bóng thuỷ tinh kín, rút khí tới chân không tuyệt đối trong bóng có : Katot (K) là sợi dây Vonphram được đốt nóng bằng dòng điện hạ thế cường độ 3 - 5 A, khi Kanot nóng tới khoảng 20000C thì trở thành nguồn phát nhiệt điện tử

Anot (A) thường làm bằng tungsten là kim loạ nặng có nhiệt độ nóng chảy cao (33500C) Các điện tử từ katot bắn sang đập vào anot làm cho nó nóng lên rất nhanh, nên trong kỹ thuật người ta phải làm nguội anot

-Khối thứ hai là bộ phận nguồn điện chủ yếu gồm

+Biến thế hạ thế cung cấp dòng điện đốt nóng Katot có hiệu thế 6 - 12V +Biến thế tăng thế để cung cấp hiệu điện thế cao (100kV) giữa anot và katot +Các thiết bị điều khiển điện thế và cường độ dòng điện

b Bản chất tia X

Tia X có bản chất là sóng điện từ ( < 10A0 )

Trong ống các điện tử nhanh bay từ katot được nung đỏ sẽ hãm lại ở vùng anot và phát tia rơnghen Theo điện động lực học cổ điển, một hạt tích điện khi chuyển động có gia tốc sẽ phát sóng điện từ vào môi trường xung quanh Điện

tử ở bóng rơnghen có gia tốc rất lớn nên đã pahts sóng điện từ, đó là tia Rơnghen

Khi điện tử đập vào anot thì 0,2% biến thành năng lượng tia rơnghen và 99,8% biến thành nhiệt

Một số điện tử khi đập vào anot sẽ làm bật các điện tử từ quỹ đạo bên trong của nguyên tử anot, vì Q liên kết của các điện tử với hạt nhân ở từng quỹ đạo có giá trị khác nhau, năng lượng của tia Rơnghen sẽ đặc trưng cho quỹ đạo mà điện tử bị đánh bật ra Vì vậy tia rơnghen phóng ra bao gồm hàng loạt bước sóng đặc trưng, mỗi bước sóng tương ứng với quỹ đạo nhất định trong nguyên tử

ε = hν = h λ

e

= EL.M - EK

ε : Năng lượng của photon rơnghen

λ : Bước sóng

EK mức năng lượng của điện tử ở vành K

EL.M : mức năng lượng ở vành L, M

II.Những đơn vị đo lường cơ bản trong phóng xạ sinh vật

1.Rơnghen (R)

Rơnghen là hiện tượng bức xạ Rơnghen hay bức xạ γ cần thiết để có thể tạo ra trong 1 cm3 không khí 2,08.109 cawpk ion, hay khi chiếu liều lượng 1 Rơnghen thì 1gam không khí sẽ hấp thụ năng lượng là 84ec (erg)

1J = 6,25.1018eV

1calo = 4,19J

2.Rađi (Rad)

Đơn vị để đo liều lượng hấp phụ Nếu 1 gam vật chất hấp thụ 100 ec (erg) đối với bất kỳ dạng bức xạ ion hoá nào là 1 rad

1rad = 0,01 Gy (Gray)

1Gy = 100Rad

3.Tương đương vật lý rơnghen

Là liều lượng của các loại tia hạt khi đi qua 1 gam vật chất bị hấp thụ 84

ec, nghĩa là h hấp thụ 1 năng lượng bằng năng lượng hấp thụ trong 1 gam không khí khi chiếu xạ với liều 1 Rơnghen

4.Tương đương sinh vật rơnghen

Lượng năng lượng của các loại tia hạt có khả năng gây hiệu ứng sinh vật giống như hiệu ứng sinh vật do liều 1 Rơnghen của tia rơnghen hoặc tia γ gây ra

5.Suất liều lượng

Đối với phóng xạ sinh vật thời gian chiếu xạ giữ một vai trò quan trọng Với cùng 1 liều lượng của một loại tia nào nó, song thời gian chiếu xạ khác nhau sẽ gây hiệu ứng sinh vật khác nhau

Suất liều lượng là đơn vị của tia trong một đơn vị thời gian Đơn vị thường dùng là R/h, R/phút, R/gy, Rad/giờ, Rad/phút và Rad/giây

7

III.Tương tác của bức xạ ion hoá đối với vật chất

1.Tương tác của tia γ , tia X với vật chất

Bản chất vật lý của tia rơnghen và tia gamma giống nhau do đó cơ chế tác động của chúng với vật chất giống nhau, tia γ và tia X có bước sóng cực ngắn nên E lớn

Đối với tất cả các loại tia phóng xạ ion hoá thì mối liên quan giữa cường

độ của tia trước khi xuyên qua vật chất I0 và sau khi đi qua vật chất I đều có thể được mô tả bằng phương trình : I = I0.e -kx

k: hệ số hấp phụ của chất; I0 : Cường độ tia tới

I : cường độ tia đã xuyên qua vật chất ; x : Quãng đường đi

Tuỳ theo năng lượng của tia sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng, quá trình hấp thụ năng lượng của vật chất có thể được thực hiện bởi một trong 3 cơ chế cơ bản sau đây : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton và hiệu ứng tạo cặp Khi xuyên qua vật chất photôn năng lượng lớn (tia γ và tia X) truyền hết năng lượng của nó một cách hoàn toàn cho vật chất Sản phâm của quá trình tương tác đó là những hạt vi mô tích điện ( điện tử pozitron) có năng lượng lớn Các hạt vi mô này sẽ ion hoá vật chất Vì vậy người ta nói các photon năng lượng lớn đã ion hoá gián tiếp vật chất

Tương tác của photon năng lượng với vật chất thông qua 3 hiệu ứng sau

a Hiệu ứng quang điện

Đó là hiện tượng các điện tử bị hút ra khỏi lớp vỏ điện tử của nguyên tử do tác dụng của tia γ và tia X Năng lượng này một phần dùng làm công ion hoá, phần còn lại làm động năng cho điện tử Ed

ε = h.ν = ω + Ed

Như vậy muốn biết điện tử ra khỏi nguyên tử thì năng lượng của tia γ (tia X) phải lớn hơn ω

Về phía nguyên tử vật chất, khi một điện tử bị bật ra khỏi quỹ đạo, điện tử khác ở vành ngoài có thể đến thế chỗ Năng lượng dư thừa do sự chênh lệch của

Eq giữa hai quỹ đạo, sẽ được phát ra dưới dạng 1 photon ( gọi là bức xạ đặc tính) (photon thứ cấp)

hν = Eq.L - Eq.K

EqK và EqL là Eq của điện tử ở vành K và vành L

Người ta nhận thấy hiệu ứng quang điện thường xảy ra với những chùm photon có năng lượng nhỏ hơn 0,1MeV

b.Hiệu ứng Comtơn

Comtơn là người đầu tiên phát hiện thấy rằng photon có năng lượng khoảng 0,1 - 2MeV đi qua vật chất sẽ tương tác với điện tử tự do trong đó điện

tử này nhận toàn bộ năng lượng ε = h.ν của photon tới, giữ lấy một phần làm động năng của mình để dịch chuyển, phần còn lại sẽ phát ra dưới dạng một photon khác có năng lượng nhỏ hơn ( tần số ν nhỏ hơn ) và có một hướng truyền làm thành một góc với hướng truyền của nơtron tới Người ta gọi là điện

tử lùi và photon thứ cấp của hiệu ứng comtown Ta có : h.ν = h.ν ‘ + Ed

h.ν : năng lượng photon tới

h.ν’ : năng lượng của photon thứ cấp Ed : động năng của điện tử tự do Chính điện tử lùi với động năng Ed sẽ tiếp tục tương tác với vật chất gây hiện tượng ion hoá như phần trên

c.Hiệu ứng tạo cặp

Những photon có năng lượng bằng hoặc lớn hơn 1,02MeV có thể gây ra hiệu ứng tạo cặp Khi những photon đi đến gần hạt nhân có số Z lớn chúng tương tác với trường hạt nhân và biến mất, đồng thời xuÍt hin một cặp pozitron - electron Như vậy năng lượng của photon đã chuyển hoá thành 2 hạt e+ và e- và động năng của chúng Hệ thức năng lượng của quá trình tạo cặp là:

h.ν = Ed+ + Ed- + 1,02 MeV

Trong đó Ed+, Ed- là động năng của pozitron và electron tính theo công thức của Anhstanh E = mc2, trong đó E là năng lượng tương đương với khối lượng m, c là vận tốc ánh sáng ( ∼300.000km/gy)

-Sau khi tạo thành các hạt này có khả năng tiếp tục ion hoá hay gây kích thích chất hập phụ

-Có khi chúng tương tác với nhau kèm theo giải phóng tia γ Tia γ lại tác dụng với vật chất theo hiệu ứng quang điện hoặc hiệu ứng comtơn

e

-e+

9

h ν ‘

Hi u ng comt n ệ ứ ơ

h ν

h ν

Hi u ng quang đi n ệ ứ ệ

e

L

K

+

h ν

Hi u ng t o c p ệ ứ ạ ặ

e

-e +

2.Tương tác của các hạt vi mô tích điện với vật chất

Khi chùm hạt vi mô tích điện tương tác với vật chất nó có thể tương tác với điện tử trên quỹ đạo hoặc với hạt nhân của nguyên tử vật chất

a.Hạt vi mô tương tác với các điện tử quỹ đạo

Khi tương tác với vật chất, hạt vị mô dễ dàng truyền một phần năng lượng của nó cho điện tử đang chuyển động trên quỹ đạo của nguyên tử vật chất Năng lượng này sẽ làm dịch chuyển điện tử từ quỹ đạo thấp lên quỹ đạo có năng lượng lớn hơn mà không bức điện tử ra khỏi nguyên tử, do đó nguyên tử trở thừnh trạng thái kích thích

Năng lượng từ hạt tới cũng có thể làm một điện tử quỹ đạo bức ra khỏi nguyên tử Nguyên tử trở thành một cặp ion : ion âm ( điện tử bị bật ra ) và ion dương ( phần còn lại của nguyên tử ) Như vậy là nguyên tử đã bị ion hoá Điện

tử bật ra cũng có một động năng nhất định có thể gây ra hiện tượng ion hoá tiếp theo với các nguyên tử và phân tử xung quanh Cuối cùng không đủ năng lượng

để tương tác với nguyên tử khác chúng sẽ liên kết với ion trái dấu đeer thành nguyên tử hoặc tồn tại tự do ở trạng thái chuyển động nhiệt

Xác suất tương tác của các hạt vi mô để gây ra ion hoá tỷ lệ với khối lượng, điện tích và tốc độ của chúng Điện tích và khối lượng càng lớn, tốc độ càng bé thì xác suất tương tác càng lớn Do đó độ ion hoá của các hạt anpha lớn hơn nhiều so với điện tử

Hướng của hạt β khi tương tác với vật chất bị lệch đi nhiều hơn, tạo ra quỹ đạo có nhiều gấp khúc

Người ta gọi khả năng đâm xuyên vật chất của một chùm tia là quãng chạy

Ví dụ : Quãng chạy R của tia α không vượt quá 10 cm2 trong không khí; 0,1mm trong nước và 0,06mm trong nhôm

b.Hạt vi mô tương tác với hạt nhân nguyên tử

Các hạt vi mô tích điện có thể gây ra phản ứng hạt nhân tạo ra các hạt nhân nguyên tử mới như thí nghiệm của Rutherford (1919 )

27

13 Al (α, η) 30

15 P