Bài Giảng An Toàn Bức Xạ Và An Toàn Điện Trong Y Tế

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BỨC XẠ 1 1 Phóng xạ và hoạt độ phóng xạ 1 1 1 Giới thiệu Một vài chất tồn tại trong tự nhiên cấu tạo từ những nguyên tử được phát hiện là không bền, n[.]

CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BỨC XẠ 1.1 Phóng xạ hoạt độ phóng xạ 1.1.1 Giới thiệu Một vài chất tồn tự nhiên cấu tạo từ nguyên tử phát không bền, nghĩa chúng biến đổi tự phát thành nguyên tử khác bền Những chất gọi có tính phóng xạ (radioactive) q trình biến đổi ngun tử gọi phân rã phóng xạ (radioactive decay) Sự phân rã phóng xạ thường kèm theo phát xạ dạng hạt tích điện tia gamma Một số nguyên tố phóng xạ tự nhiên phát lần Becquerel vào năm 1896 Ông quan sát thấy lớp nhũ tương phim ảnh bị đen để gần hợp chất urani Hiện tượng xảy xạ phát từ urani Trong mười năm tiếp theo, thí nghiệm tiếng Rutherford Soddy, ông bà Curie người khác khẳng định có tồn số hạt nhân khơng hồn tồn bền Những hạt nhân khơng bền phát xạ ba dạng gọi phóng xạ anpha, bêta gamma 1.1.2 Phóng xạ anpha, bêta gamma Bức xạ anpha (α) Rutherford Soddy chứng minh hạt nhân helium mà hạt nhân chứa hai proton hai notron Cả bốn hạt liên kết với chặt đến mức hạt anpha, nhiều hồn cảnh, có tính chất hạt Một hạt α có khối lượng 4u mang hai đơn vị điện tích dương Bức xạ bêta (β) gồm điện tử có vận tốc cao có nguồn gốc từ hạt nhân Những “điện tử hạt nhân” có tính chất giống hệt điện tử nguyên tử, nghĩa chúng có khối lượng 1/1840 u mang điện tích âm Có loại xạ bêta C.D.Anderson phát vào năm 1932 Bức xạ gồm hạt có khối lượng khối lượng điện tử mang đơn vị điện tích dương, gọi xạ pôzitrôn Mặc dù quan trọng hạt β âm mặt bảo vệ an toàn xạ, hiểu biết pôzitrôn cần thiết để hiểu số chế phân rã phóng xạ Khi nói xạ bêta có ý bao hàm β- (điện tử) β+ (pôzitrôn) Trong thuật ngữ sử dụng hàng ngày, xạ bêta thường để loại bêta âm (β-) Bức xạ gamma (γ) thuộc loại gọi xạ điện từ Loại xạ gồm lượng tử (quantum) bó lượng truyền dạng chuyển động sóng Các sóng vơ tuyến ánh sáng nhìn thấy thành viên tiếng thuộc loại xạ Năng lượng mang lượng tử phụ thuộc vào bước sóng xạ theo tỷ lệ nghịch, nghĩa E  1/λ với E lượng lượng tử proton xạ điện từ λ bước sóng xạ Tất xạ điện từ di chuyển chân không với vận tốc 3x108 m/s Vận tốc chúng giảm môi trường đặc, nhiên khơng khí độ suy giảm nhỏ khơng đáng kể Một loại xạ điện từ khác giống với xạ γ nhiều mặt xạ tia X Sự khác chủ yếu hai loại xạ nằm nguồn gốc chúng Trong tia γ sinh từ biến đổi hạt nhân tia X phát điện tử nguyên tử thay đổi quỹ đạo chúng 1.1.3 Đơn vị electronvôn (eV) Năng lượng xạ thường đo electronvôn (eV) Một electronvôn lượng thu điện tử qua hiệu điện vơn (V) Ví dụ, trog ống tia catốt máy thu vô tuyến truyền hình điện tử gia tốc từ súng điện tử đến hình qua hiệu điện cỡ 10.000 vơn Do vậy, điện tử có lượng 10.000 eV chúng đập vào hình Electronvơn đơn vị nhỏ, lượng xạ thường tính kilo (1.000) mêga (1.000.000) electronvôn: Một kiloelectronvôn = keV = 1.000 eV Một mêgaelectronvôn = MeV = 1.000 keV = 1.000.000 eV Electronvôn đơn vị đo lượng cho xạ khác với xạ bêta Năng lượng hạt phụ thuộc vào khối lượng vận tốc nó, ví dụ hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc  nhỏ nhiều so với vận tốc ánh sáng, có động (EK) là: EK = (1/2) m2 (cần phải hiệu chỉnh công thức hạt di chuyển với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng) Một hạt nhỏ điện tử cần phải có vận tốc cao nhiều so với hạt nặng hơn, chẳng hạn hạt α, để chúng có động Trong trường hợp xạ điện từ, lượng tỷ lệ nghịch với bước sóng xạ Vì xạ có bước sóng ngắn có lượng cao hơncác xạ với bước sóng dài 1.1.4 Cơ chế phân rã xạ Các hạt nhân nguyên tố nặng tồn tự nhiên thường bền Ví dụ, đồng vị urani-238 có 92 prơtơn 146 nơtrơn Để đạt trạng thái ổn định (bền) hơn, hạt nhân phải phát hạt anpha để giảm số prôtôn nơtrơn xuống tương ứng cịn 90 144 Điều có nghĩa hạt nhân có số nguyên tử (Z) 90 số khối 234, đặt tên thori-234 Quá trình phân rã biểu thị sau: hoặc, thông thường là: Một ví dụ khác q trình phân rã poloni-218 (218Po) cách phát xạ anpha biến đoi thành chì-214 (214Pb): Các hạt nhân nặng có nhiều nơtrôn prôtôn Phát xạ hạt anpha làm giảm số lượng loại hạt tỷ lệ giảm hạt nơtrôn nhỏ so với prôtôn Hiệu ứng phát xạ hạt anpha tạo hạt nhân giàu nơtrôn chúng cịn chưa bền Những hạt nhân khơng đơn giản phát nhiều nơtrôn để khắc phục tình trạng khơng bền Thay vào đó, nơtrôn hạt nhân biến đổi thành prôtôn cách phát hạt bêta, nghĩa điện tử tốc độ cao: Hiện tượng gọi phát xạ bêta Trong trường hợp từ phân rã α 238 234 Th tạo thành U, hạt nhân tiếp tục phân phát xạ β biến đồi thành protactini-234 (234Pa): Do vậy, trình phân rã đầy đủ ploni-218 là: Hạt nhân tạo thành Bitmut-214 không bền trình phân rã α β lại tiếp tục hạt nhân bền sinh Các điện tử phát phân rã β có lượng phân bố liên tục từ đến lượng cực đại Emax đặc trưng cho hạt nhân Năng lượng bêta có xác suất lớn vào khoảng 1/3 Emax Trong đa số trường hợp, sau phát xạ α β, hạt nhân tự xếp lại giải phóng lượng dạng xạ gamma Hai trình phân rã khác cần kể đến phát xạ pôzitrôn bắt điện tử Trong phát xạ pôzitrôn, prôtôn hạt nhân phát pôzitrôn (β +) trở thành nơtrôn: Bắt điện tử q trình điện tử từ quỹ đạo bên bị bắt hạt nhân dẫn đến hốn đổi prơtơn thành nơtrôn: Sự xếp lại điện tử nguyên tử dẫn đến phát xạ tia X 1.1.5 Các chuỗi phóng xạ tự nhiên Trừ 22Na, thí dụ phân rã phóng xạ chất phóng xạ tồn tự nhiên thuộc gọi chuỗi phóng xạ tự nhiên Có ba chuỗi phóng xạ tự nhiên thori, uranni-radi actini (Bảng 1.1) Trong bảng cịn có chuỗi neptuni, chuỗi khơng cịn tồn tự nhiên thời gian sống nửa đồng vị sống lâu chuỗi 2,2x10 năm, nhỏ nhiều so với tuổi vũ trụ (3x109 năm) Cả bốn chuỗi gọi chuỗi phân rã nặng Bảng 1.1: Các chuỗi phân rã nặng Tên chuỗi Hạt nhân bền cuối Nhân sống lâu chuỗi Thori 208 Pb 208 Th(T1/2 = 1,39x1010 năm) Urani-radi 206 Pb 238 U(T1/2 = 4,5x109 năm) Actini 207 Pb 235 U(T1/2 = 8,25x108 năm) Neptuni 209 Bi 237 Np(T1/2 = 2,2x106 năm) 1.1.6 Phóng xạ kích hoạt Các ngun tố nhẹ làm cho trở nên có tính phóng xạ cách bắn phá chúng hạt hạt nhân Một ví dụ bắn phá hạt nhân ben nơtrơn lị phản ứng hạt nhân Một nơtrơn bị hạt nhân bắt, kèm theo lượng tử gamma bị phát Quá trình gọi phản ứng nơtrôn, gamma (n,) Nguyên tử tạo thành thường khơng bền nơtrơn dư cuối phân rã phát xạ β Như vậy, đồng vị bền coban-59 bị bắn phá chiếu xạ nơtrôn sinh nguyên tử đồng vị coban-60 Những nguyên tử cuối lại phân rã β trở thành nguyên tử đồng vị bền niken-60 Q trình viết sau: Ngồi ra, cịn có q trình kích hoạt phân rã khác mà chúng thảo luận sau 1.1.7 Đơn vị hoạt độ phóng xạ Sự phân rã phóng xạ chất có tính chất thống kê khơng thể tiên đốn ngun tử cụ thể phân rã Kết tính chất ngẫu nhiên định luật phân rã phóng xạ theo quy luật hàm mũ thể toán học sau: N = Noe-λt Ở đây, No số hạt nhân có mặt vào thời điểm đầu, N số hạt nhân có mặt thời điểm t λ số phân rã phóng xạ đặc trưng đồng vị Thời gian sống nửa (T1/2) hay gọi chu kỳ bán rã đồng vị phóng xạ thời gian cần có để nửa số hạt nhân mẫu phóng xạ bị phân rã Ta tính thời gian sống nửa cách thay N = No/2 vào phương trình trên: No/2 = No/2e-λT1/2 Từ tính được: T1/2 = (loge2)/λ = 0.693/λ Bởi tốc độ phân rã, hoạt độ mẫu tỷ lệ với số hạt nhân không bền, nên thay đổi theo quy luật hàm mũ thời gian, cụ thể là: A = Aoe-λt Quan hệ minh họa Hình 1.1 biểu thị thay đổi hoạt độ mẫu theo thời gian Sau chu kỳ bán rã, hoạt độ mẫu giảm 1/2A o, sau hai chu kỳ bán rã 1/4Ao, tiếp tục giảm Chu kỳ bán rã đồng vị phóng xạ xác định số việc đo chúng giúp ta xác định thành phần mẫu phóng xạ chưa biết Phương pháp áp dụng cho đồng vị mà độ phóng xạ chúng thay đổi đáng kể khoảng thời gian đo đếm hợp lý Ngoài khoảng thời gian này, đồng vị phải có chu kỳ bán rã đủ dài phép tiến hành số phép đo trước chúng phân rã hết Để xác định chu kỳ bán rã cực dài cực ngắn, cần phải sử dụng phương pháp tinh vi Các chu kỳ bán rã nằm khoảng từ 10-14 năm (212Po) đến 1017 năm (209Bi), nghĩa thừa số 1031 Hình 1.1: Sự thay đổi hoạt độ theo thời gian Cho đến gần đây, đơn vị hoạt độ phóng xạ đo curie (Ci) ước số khác Curie nguồn gốc hoạt độ gam radi sau định nghĩa chuẩn hóa 3,7x1010 phân rã giây curie = 3,7x1010 phân rã/s 2,2x1012 phân rã/phút milicurie = 3,7x107 phân rã/s 2,2x109 phân rã/phút microcurie = 3,7x104 phân rã/s 2,2x106 phân rã/phút Mỗi phân rã thường kèm theo việc phát nhiều hạt tích điện (α β) Chúng kèm theo, khơng phải lúc vậy, hay nhiều xạ gamma Một vài hạt nhân phát xạ gamma hay tia X Đơn vị SI hoạt độ phóng xạ becquerel (Bq), định nghĩa phân rã hạt nhân giây So sánh với curie becquerel đơn vị nhỏ Trong thực tế, để thuận tiện bội số becquerel thường sử dụng Ví dụ: becquerel (Bq) = phân rã/s kilobecquerel (kBq) = 103 Bq = 103 phân rã/s magabecquerel (MBq) = 106 Bq = 106 phân rã/s gigabecquerel (GBq) = 109 Bq = 109 phân rã/s terabecquerel (TBq) = 1012 Bq = 1012 phân rã/s petabecquerel (PBq) = 1015 Bq = 1015 phân rã/s Để đơn giản, giáo trình sử dụng Bq, MBq, TBq Quan hệ đơn vị cũ đơn vị xác định sau: µCi = 37000 Bq = 0,037 MBq = 3,7x10 -8 TBq mCi = 37x106 Bq = 37 MBq = 3,7x10-5 TBq Ci = 37x1010 Bq = 3,7x104 MBq = 0,037x10-5 TBq Tương tự, Bq = 2,7x10-5 µCi = 2,7x10-8 mCi = 2,7x10-11 Ci MBq = 2,7 µCi = 0,027x10-8 mCi = 2,7x10-5 Ci TBq = 2,7x107 µCi = 0,027x104 mCi = 27 Ci 1.1.8 Bảng đồng vị hạt nhân 1.1.9 Tương tác xạ với vật chất 1.1.9.1 Các hạt tích điện Các hạt anpha bêta bị lượng chủ yếu tương tác với điện tử nguyên tử môi trường hấp thụ Năng lượng truyền cho điện tử làm cho chúng bị kích thích chuyển lên mức lượng cao (kích thích nguyên tử) chúng bị tách hồn tồn khỏi ngun tử mẹ (ion hóa ngun tử) Một hiệu ứng quan trọng hạt mang điện bị làm chậm lại nhanh chúng phát lượng dạng tia X Quá trình gọi bremstralung (tiếng Đức nghĩa hãm xạ) quan trọng xạ bêta 1.1.9.2 Các xạ gamma tia X Các xạ tia X γ tương tác với vật chất thông qua loạt chế khác nhau, có chế quan trọng hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton tạo cặp Trong hiệu ứng quang điện tất lượng lượng tử X γ truyền cho điện tử nguyên tử làm cho bị bắn khỏi nguyên tử mẹ Trong trường hợp này, lượng tử hay phơtơn hồn tồn bị hấp thụ Tán xạ Compton xảy phần lượng phôtôn truyền cho điện tử nguyên tử phôtôn bị phần lượng bị tán xạ Trong trường điện từ mạnh xung quanh hạt mang điện, chẳng hạn hạt nhân, lượng tử γ bị hốn đổi thành cặp pơzitrơn-electrơn Q trình gọi tạo cặp lượng lượng tử phân bổ hai hạt tạo thành Như vậy, ba loại tương tác xảy trình truyền lượng lượng tử cho điện tử nguyên tử điện tử dần lượng 1.1.9.3 Các nơtrôn Các nơtrôn khơng mang điện khơng thể ion hóa trực tiếp Cũng xạ γ, nơtrôn cuối truyền lượng chúng cho hạt tích điện Ngồi ra, nơtrơn cịn bị hạt nhân bắt thường dẫn đến việc phát xạ γ Các q trình mơ tả chi tiết chương sau Bảng 1.2 tóm tắt loại tương tác xạ hạt nhân với vật chất Bảng 1.2: Các tương tác xạ hạt nhân Bức xạ Quá trình Anpha Va chạm phi đàn hồi với - Gây kích thích điện tử liên kết Bêta Hiệu ứng ion hóa ngun tử - Va chạm khơng đàn hồi - Gây kích thích với điện tử liên kết ion hóa nguyên tử - Bị làm chậm lại trường hạt nhân - Gây xạ bremstralung Bức xạ tia X γ - Hiệu ứng quang điện - Phơtơn bị hấp thụ hồn - Hiệu ứng Compton toàn - Tạo cặp - Chỉ phần lượng phôtôn bị hấp thụ Nơtrôn - Tán xạ đàn hồi - Các hiệu ứng thảo - Tán xạ không đàn hồi luận chương - Các trình bắt sau 1.1.10 Khả xuyên qua xạ hạt nhân Hạt anpha hạt nặng (theo tiêu chuẩn hạt nhân) di chuyển tương đối chậm mơi trường chất Vì có nhiều hội tương tác với nguyên tử dọc đường phần lượng lần tương tác Do đó, hạt anpha nhanh chóng lượng khoảng cách ngắn môi trường đặc Các hạt bêta nhỏ nhiều so với hạt anpha di chuyển nhanh nhiều Vì chúng có số lần tương tác đơn vị chiều dài đường lượng chậm hạt anpha Điều có nghĩa hạt bêta xa hạt anpha môi trường đặc Các xạ gamma lượng chủ yếu qua tương tác với điện tử nguyên tử Nó qua khoảng cách lớn mơi trường đặc khó bị hấp thụ hồn tồn Nơtrơn lượng quan loạt tương tác khác nhau, mà tầm quan trọng tương đối chúng phụ thuộc nhiều vào lượng nơtrơn Vì lý mà thực tế nơtrơn thường chia thành nhóm lượng: nhanh, trung bình nhiệt Các nơtrơn có khả xun qua lớn khoảng cách xa môi trường đặc Bảng 1.3 tóm tắt tính chất qng đường tự loại xạ hạt nhân khác Các quãng đường tự gần chúng phụ thuộc vào lượng xạ Bảng 1.3: Các tính chất xạ hạt nhân Bức xạ Khối lượng Điện tích (u) Quãng Quãng đường tự đường tự trong mơ khơng khí Anpha +2 0,03m 0,04mm ... chiếu xạ lớn vài Các hiệu ứng x? ?y suy giảm nhanh chóng số lượng tế bào số quan thể nhiều tế bào bị h? ?y diệt trình phân chia tế bào bị cản trở chậm lại Các hiệu ứng x? ?y chủ y? ??u tổn thương da, t? ?y. .. hiệu ứng quang điện tất lượng lượng tử X γ truyền cho điện tử nguyên tử làm cho bị bắn khỏi nguyên tử mẹ Trong trường hợp n? ?y, lượng tử hay phơtơn hồn tồn bị hấp thụ Tán xạ Compton x? ?y phần lượng... xạ gamma xạ hạt nhân khác đủ lớn để g? ?y tử vong cho người làm tăng nhiệt độ thể lên phần ngàn độ Celsius Do v? ?y, thể người cảm th? ?y xạ cường độ xạ cao Bức xạ hạt nhân khác với xạ nhiệt dạng xạ