2016 ĐHQG Cơ sở vật lý phóng xạ

Đồng vị phóng xạ Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có hạt nhân chứa cùng số proton Z nhưng khác số neutron N thì gọi là các đồng vị.. Các đồng vị phóng xạ hạt nhân mẹ sẽ tự phân rã hạ

CƠ SỞ VẬT LÝ PHÓNG XẠ

1 Nguyên tử

Nguyên tử gồm hai thành phần chính là hạt nhân và các electron chiếm khoảng không gian xung quanh hạt nhân đó Hạt nhân nguyên tử bao gồm hai loại hạt: hạt proton mang điện tích dương và hạt neutron không mang điện tích,

chúng được gọi chung là nucleon Các nucleon gắn kết với nhau nhờ lực hạt nhân, là một loại tương tác mạnh ở koảng cách gần

Số proton trong nhân được gọi là số nguyên tử Z Tổng số proton và neutron nhân được gọi là số khối A

2 Đồng vị phóng xạ

Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có hạt nhân chứa cùng số proton (Z) nhưng khác số neutron (N) thì gọi là các đồng vị Các đồng vị có số khối A khác nhau (vì A = Z+N) Một nguyên tố có thể có nhiều đồng vị , trong số đó có thể

có đồng vị bền hoặc đồng vị phóng xạ Các đồng vị phóng xạ có hạt nhân không

bền nên tự phân rã phóng xạ để biến đổi thành hạt nhân bền Khi phân rã, hạt nhân thường phát ra các loại bức xạ như hạt alpha, hạt beta, photon gamma v.v

3 Phân rã phóng xạ

Các đồng vị phóng xạ (hạt nhân mẹ) sẽ tự phân rã hạt nhân, phát ra các bức

xạ ( như alpha (α), beta (β-,β+), gamma (γ)…), gọi là phân rã phóng xạ, và biến

đổi thành hạt nhân con khác ổn định, bền vững hơn,

3.1 Phân rã alpha.

Phân rã alpha là quá trình một hạt nhân X tự phân rã, phát ra hạt alpha (α)

có cấu trúc như hạt nhân Heli (24He) , và biến đổi thành một hạt nhân con khác

4 4

2 2

A A

Z X → Z−− A+ He

3.2 Phân rã Beta.

Phân rã beta bao gồm các quá trình phân rã beta trừ (β - ), phân rã beta cộng (β-+ , hay positron) , bắt electron (E.C)

3.2.1 Phân rã beta trừ (β - ).

Phân rã beta trừ (β - ) là quá trình 1 hạt nhân Z AX biến đổi một neutron (n) thành một proton (p) và bức xạ một β- (là e-) kèm theo 1 phản neutrino (ν ).

n→ +p β− +ν

1

A A

Z X Z Y β ν−

+

Ví dụ:

13153I→13154Xe+−01e+ν

3.2.2 Phân rã positron (β+ )

Phân rã positron(β + ) là quá trình 1 hạt nhân Z AX biến đổi một proton (p) thành một neutron (p) và bức xạ một positron β+ (là phản electron e+) kèm theo 1 hạt neutrino (ν)

p→ +n β ν++

1

A A

Z X Z Y β ν+

−

Ví dụ:

1122Na→1022Ne++01e+ν

3.2.3 Phân rã Bắt electron (e - )

Phân rã bắt electron là quá trình một hạt nhân Z AX giàu proton bắt 1 electron trên quỹ đạo trong ( tầng K, L) của nguyên tử và được 1 proton (p) trong nhân hấp thụ để biến thành 1 neutron (n) và 1 neutrino (ν)

p + e - → n + ν

Z X e− Z Y ν

−

Ví dụ: 2655Fe+−01e→2555Mn+ν

+ Đi kèm với phân rã bắt electron, đồng vị phóng xạ có phát bức xạ tia X, bức xạ Electron Auger và bức xạ Ga mma theo các qui trình như sau:

a) Bức xạ photon tia X : sau khi bắt electron, nguyên tử ở trạng thái kích

thích, một electron tầng ngoài (có năng lượng cao hơn) sẽ chuyển vào chiếm chỗ trống của electron đã bị bắt để đưa nguyên tử về trạng thái cơ bản có năng lượng thấp hơn Trong quá trình này electron sẽ giải phóng

năng lượng thừa dưới dạng photon tia X đặc trưng của nguyên tử hoặc, b) Bức xạ Electron Auger: tuy phần lớn electron chuyển năng lượng thừa

thành bức xạ tia X như trên, một số electron khác có thể truyền năng lượng thừa cho một electron quỹ đạo khác và đẩy electron này bay ra khỏi

nguyên tử với tên gọi là electron Auger.

c) Bức xạ photon Gamma : trong phân rã bắt electron, hạt nhân con mới

sinh ra thường ở trạng thái kích thích nên sẽ trở về mức năng lượng cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng thừa dưới dạng photon gamma

Sau khi một hạt nhân phóng xạ mẹ ( Z AX ) phân rã α hoặc β+ , β-, hạt nhân con mới được tạo ra thường ở trạng thái kích thích (Z AY*) hay lưỡng bền (metastable – m) với mức năng lượng E2 Hạt nhân con sau dó sẽ trở về trạng thái bền hơn với mức năng lượng E1 thấp hơn đồng thời giải phóng ra năng lượng thừa (∆E = E2 - E1) dưới dạng một bức xạ gamma (γ) Bức xạ gamma là một photon sóng điện từ có tần số ν

Z A Y * → Z AY + γ

∆E= E2 - E1 = h ν

Trong đó h là hằng số Plank

+ 364 keV

5 Sơ đồ phân rã

Chuổi phân rã của một hạt nhân được mô tả bằng một sơ đồ phân rã, các vạch ngang chỉ các mức năng lượng, các mũi tên chỉ kiểu phân rã Chuỗi phân rã bắt đầu từ hạt nhân mẹ ( A

Z X) ở mức năng lượng cao nhất và bị giảm dần xuống tới các mức thấp hơn Mũi tên hướng về bên trái chỉ sự phát alpha, positron hoặc bắt điện tử; hướng về bên phải chỉ sự phát β- ; hướng thẳng đứng chỉ sự phát γ Tên các hạt nhân và tên loại bức xạ được ghi rõ trên sơ đồ

Sự phân rã cũng có thể được mô tả theo vị trí của hạt nhân mẹ và con xác định bởi số Z (proton ) và N (neutron) theo toạ độ (Z,N) Các mũi tên ứng với

các kiểu phân rã , đi từ vị trí hạt nhân mẹ đến vị trí hạt nhân con mới được tạo ra Khi hạt nhân phát tia gamma, vị trí hạt nhân sẽ không thay đổi ên thẳng đứng, số

Z không đổi

6 Quy luật phân rã hạt nhân:

Sự phân rã của một hạt nhân không bền là hoàn toàn ngẫu nhiên, không thể biết khi nào một nguyên tử sẽ phân rã và nó có thể phân rã bất cứ lúc nào Tuy nhiên, theo quy luật số lớn của thống kê học, một mẫu chứa một số rất lớn hạt nhân phóng xạ ban đầu (N0) khi phân rã sẽ tuân theo quy luật hàm mũ như sau:

Trong đó N0 là số lượng hạt nhân phóng xạ có từ ban đầu

(ở thời điểm t = 0).

N(t) là số lượng hạt nhân phóng xạ còn lại (chưa phân rã) ở thời điểm t

bất kỳ

λ là hằng số phân rã, cũng là xác xuất để một loại hạt nhân xác định phân rã trong một đơn vị thời gian Mỗi loại hạt nhân phóng xạ khác nhau có một λ riêng khác nhau và hoàn toàn không chịu ảnh hưởng bởi các tác nhân hoá học hay vật lý bên ngoài nhân

Là thời gian cần thiết để tổng số hạt nhân ban đầu (No) phân rã hết một nửa (N=No/2), được tính như sau:

No

N

=

2

1

= e-λT

1/2

T 1/2 = lnλ2 = 0,693λ

8 Đường cong phân rã phóng xạ:

Đường cong biểu diễn N(t) theo thời gian và T 1/2 được vẽ như sau:

8 Hoạt độ phóng xạ :

Hoạt độ phóng xạ, A, của một nguồn phóng xạ là số hạt nhân phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời gian tại một thời điểm xác định của nguồn, được tính bằng đơn vị Bq (Becquerel) hoặc Ci (curie) , trong đó :

1Bq =1 phân rã/1 s

1Ci =3.7x1010Bq= 37,037 MBq

1 Bq = 2.70×10−11 Ci

Đường cong biểu diễn hoạt độ A (t) theo thời gian (và T1/2 ) được vẽ như sau :

9 Các đồng vị phóng xạ thông dụng

9.1 Đồng vị phóng xạ I-131

Hạt nhân I-131 phân rã phóng xạ β- và biến đổi thành hạt nhân 131Xe ở trạng thái kích thích Ngay sau đó, năng lượng kích thích được giải phóng dưới dạng bức xạ gamma để hạt nhân 131Xe trở về trạng thái cơ bản bền vững hơn Chu kỳ bán rã của I-131 là 8 ngày

Sơ đồ phân rã I-131 như sau:

Phần lớn các hạt electron (β-) của 131I có năng lượng 606 keV (chiếm 89%) và các bức xạ gamma có năng lượng 364 keV (chiếm 81% ) Năng lượng trung bình của các hạt electron (β-)khoảng 190 keV và có độ xuyên thấu trong mô từ 0.6 đến

2 mm nên có thể được dùng để xạ trị (tiêu diệt tế bào ác) trong Y học hạt nhân Các tia gamma 364 keV có thể xuyên thấu qua cơ thể nên được ghi đo in Vivo từ bên ngoài cơ thể

9.2 Đồng vị phóng xạ Tc-99m

Hạt nhân Tc-99m ở trạng thái kích thích biến đổi thành hạt nhân Tc-99 ở trạng

thái được coi là bền, và năng lượng kích thích được giải phóng dưới dạng bức xạ gamma với chu kỳ bán rã là 6 giờ

Sơ đồ phân rã Tc-99m như sau:

9.3 Máy phát đồng vị ( 99 Mo- 99m Tc)

Máy phát đồng vị (99Mo-99mTc) được dung để sản xuất ra đồng vị phóng xạ

Tc-99m, là chất phóng xạ thường dùng trong y học hạt nhân Trong máy phát, hạt nhân Mo-99 ( hạt nhân mẹ) có đời sống dài sẽ phân rã phóng xạ beta để biến đổi thành hạt nhân Tc-99m (hạt nhân con) ở trạng thái kích thích lưỡng bền

(metastable) có đời sống ngắn Sau đó Tc-99m sẽ tự giải phóng năng lượng kích thích dưới dạng bức xạ gamma để trở về hạt nhân Tc-99 ở mức năng lượng bền (Tc-99 được coi là hạt nhân bền vì Tc-99 chỉ có thể phân rã β thành Ru-99 với thời gian bán rã quá dài (2.12 x 105 năm)

Sơ đồ phân rã của Mo-99 thành Tc-99m như sau:

Sơ đồ phân rã của Tc -99m

Trong “Máy phát đồng vị 99 Mo- 99m Tc “ Mo-99 phân rã thành Tc-99m với thời gian

bán rã 66 giờ Tc-99m được tách chiết ra khỏi cột chứa Mo-99 và được sử dụng

độc lập như một hạt nhân phóng xạ gamma năng lượng 140 keV (98.6%) với thời

gian bán huỷ 6 giờ

9.4 Bảng liệt kê các đồng vị phóng xạ thông dụng trong y học hạt nhân:

Đồng vị

Năng lượng hạt chính

P-32 14.2 ngày E (β-) = 1.7-1.9

(88%);0.822 (1%)