Tác dụng của tia phóng xạ đối với môi trường vật chất

Tác dụng của tia phóng xạ đối với môi trường vật chất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TIA BỨC XẠ

Các bức xạ được khảo sát bao gồm các hạt tích điện như alpha và beta, các tia

gamma và tia X Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia

bức xạ được truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc

vào loại và năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của môi trường hấp thụ Các

hiệu ứng chung khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hóa nguyên

tử của môi trường hấp thụ

1 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT

Tia bêta gặp ở trường hợp hạt nhân không ổn định và tuy không quá nặng nhưng

lại có nhiều proton hay nơtron Khi có nhiều nơtron, sự biến đổi nơtron thành protron

phát sinh một điện tử (-), tốc độ cao, hạt β

Khi có nhiều protron, sự biến đổi ngược lại và phát sinh một điện tử (+) hay một

positron hoặc hạt β (+)

Như vậy, tia β là chùm điện tử, phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo

hiện tượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) hoặc ngược

lại

1.1 Sự ion hóa

Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác

tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường

Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng

t

E để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài Động năng E kcủa electron bị bắn ra

liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng E như sau: t

k t

Trong đó năng lượng ion hóa E được xác định theo công thức:

1 1

E = Rh⎛ − ⎞= −Rh

⎜∞ ⎟

⎝ ⎠ Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa

nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron)

Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng E t để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo

đường đi của mình, nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion

Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion

hóa Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên

tử

Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa

chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó, hạt beta chuyển

động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và

cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng

1.2 Độ ion hóa riêng

Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được một

centimet trong môi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng khá cao đối với các hạt beta năng

lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta và đạt cực tiểu ở năng lượng

khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm (hình 1.1)

Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta

do ion hóa và kích thích, một thông số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều bức

xạ và tính toán hiệu ứng sinh học của bức xạ Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của

hạt beta tuân theo công thức:

, số electron của không khí ở nhiệt độ 0oC và

áp suất 76 cm thủy ngân

thụ

Nếu biết trước đại lượng w, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ

ion hóa riêng s được tính theo công thức sau:

/ ( / ( / )

dE dx eV cm s

w eV c i

Trong đó c i. là cặp ion

1.3 Hệ số truyền năng lượng tuyến tính

Độ ion hóa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hóa Khi quan tâm

đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi

trường khi hạt beta đi qua nó Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng lượng nói trên là

hệ số truyền năng lượng tuyến tính

Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được định nghĩa

theo công thức sau:

dE d

Trong đó là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ

khi đi qua quãng đường dài d Đơn vị đo thường dùng đối với LET là

dE

/

keV μm

1.4 Bức xạ hãm

Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột

hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm,

hay Bremsstrahlung Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại

bằng động năng của hạt beta Khó tính toán dạng của phân bố năng lượng các bức xạ

hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm

Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức

gần đúng sau đây:

(1.4)

-4 max

f = 3,5.10 ZEβ

Trong đó f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, là số nguyên tử của

chất hấp thụ và (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta

Z

max

Eβ1.5 Quãng chạy của hạt beta trong vật chất

Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được một

quãng đường hữu hạn Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất, chùm

tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó Khoảng đường đi này gọi là

quãng chạy (range) của hạt beta, quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng tia

beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ Biết được quãng chạy của hạt beta với

năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho

trước Một đại lượng thường dùng khi tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ

một nữa (absorber half - thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt

beta ban đầu còn lại 1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ

dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy Hình 1.2 trình bày sự phụ thuộc

quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số chất hấp

thụ thông dụng Hình 1.2 cho thấy rằng quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho

trước giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ

Ngoài bề dày tuyến tính (linear thickness) tính theo centimet người ta còn dùng

bề dày mật độ (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, được

Trong đó: ρ là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm3

Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán vì khi đó bề dày không

phụ thuộc vào vật liệu cụ thể

Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính

theo đơn vị bề dày mật độ vào năng lượng của nó Đường cong này dùng thay cho các

đường cong trên hình 1.2 khi tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ

Đường cong quãng chạy - năng lượng trên hình 1.3 được biểu diễn bằng công thức

lnE 6, 63= −3, 2376.(10, 2146−ln )R (1.7)

Đối với miền năng lượng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R > 1200

530 106

Trong đó R là quãng chạy, tính theo mg/cm2 và E là năng lượng cực đại của tia

beta, tính theo đơn vị MeV

2 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT

Đối với một nguyên tử nặng, hạt nhân không ổn định và phóng ra một lúc 2 proton

và 2 nơtron, dưới dạng hạt nhân hêli Như vậy, hạt alpha là hạt nhân của nguyên tử

hêli thoát ra từ một nhân nguyên tử nặng trong quá trình biến đổi hạt nhân Thí dụ radi

biến thành radon và phát ra các hạt alpha:

226Ra→ 222Rn+4He

Hạt alpha mang điện dương

2.1 Truyền năng lượng của hạt alpha

Cũng giống như hạt beta, hạt alpha khi đi qua môi trường vật chất cũng bị mất năng

lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trường hấp thụ Khi đi qua phần

không khí của tế bào xốp, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình 35 eV cho

một cặp ion Do hạt alpha có điện tích lớn hơn hạt beta hai lần và khối lượng rất lớn,

dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng

hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí (hình 1.4)

Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt

electron, trong đó có hạt alpha, tuân theo công thức:

Trong đó: z là số nguyên tử của hạt gây ion hóa, z = 2 đối hạt alpha

, điện tích của electron

zq là điện tích của hạt gây ion hóa

M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hóa

đối với hạt alpha

thụ

2.2 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất

Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa Trong

không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra

cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng chạy của nó có kích

thước cỡ micromet Có hai định nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy

trung bình và quãng chạy ngoại suy, được minh họa trên hình 1.5

Trên hình 1.5, đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn

năng lượng Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất

hấp thụ Quãng chạy trung bình được một nữa chiều cao đường hấp thụ còn quãng

chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0

3 TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VÀ TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT

3.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường

Tia X và tia gamma có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng

cao Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta

gọi là tương tác của tia gamma với vật chất

Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các

bức xạ alpha và beta Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy

hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ

gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị

hấp thụ hoàn toàn

Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I o Sự thay đổi

cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:

dI = −μIdx (1.10) Trong đó μ là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient) Đại lượng

này có thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1 Từ (1.10) có thể viết phương

Hệ số suy giảm tuyến tính μ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật

độ vật liệu môi trường μ μ= ( , )E ρ

3.2 Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất

Do sự tương tác của các tia X và tia gamma với vật chất có tính chất chung nên để

đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất Tương tác của gamma không

gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi gamma tương tác

với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp

electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương

+e) Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia gamma

năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh học

phóng xạ Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang

điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp

3.2.1 Hiệu ứng quang điện

Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng

lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử Electron

này được gọi là quang electron (photoelectron) Quang electron nhận được động năng

Ee bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron

trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra Hình 1.6a

e B

Theo công thức (1.12) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên

kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra Tương tác này ra với xác suất lớn

nhất khi năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các

lớp trong cùng Hình 1.6b

Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm 1 3

E Xác suất tổng

cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo E ≥E k trong đó Ek

là năng lượng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật 7

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang

điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5

Như vậy tiết diện hiệu ứng quang điện:

5

7 / 2

photo

Z E

ρ ∼ khi E ≥ E k và

5

photo

Z E

ρ ∼ khi E >> Ek.

Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với

các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các

nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể

ở vùng năng lượng thấp

Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng

K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp

vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng

3.2.2 Hiệu ứng Compton

Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ

đạo ngoài Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron

được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.7a) Quá trình tán xạ Compton có thể coi

như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình1.7b)

Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển

động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng

lượng gamma E’ và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ ϕ gamma sau tán

1 cotg 2 1

tg

E E

ϕ

−

(1.15)

Theo (1.15) góc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì E′ càng bé Nghĩa là

gamma càng mất nhiều năng lượng Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho

electron sau tán xạ bay ra một góc 180o, tức là khi tán xạ giật lùi Góc tán xạ của

gamma tán xạ có thể thay đổi từ 0o đến 180o trong lúc electron chủ yếu bay về phía

trước, nghĩa là góc tán xạ θ của nó thay đổi từ 0o đến 90o

Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ

nghịch với năng lượng gamma

Compt

Z E

3.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron

Electron có khối lượng bằng m e =9,1.10−19 kg

Nếu gamma vào có năng lượng lớn

hơn hai lần năng lượng tĩnh electron thì khi đi qua điện trường của

hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối

lượng electron nhưng mang điện tích dương +le) Đó là hiệu ứng sinh cặp electron -

positron (Hình 1.8)

Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó

để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn Quá trình tạo cặp

xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần

năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron Quá trình tạo cặp

cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt

nhân

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT SINH HỌC CỦA CÁC TIA BỨC

XẠ

Hiệu ứng sinh học của bức xạ đã được phát hiện từ những ngày đầu tiên sử dụng

bức xạ Nguồn thông tin chính có được bằng cách theo dõi sự chiếu xạ nhân viên bức

xạ, gồm các nhà khoa học, nhân viên y tế, thợ mỏ uranium, nhân viên vẽ kim đồng hồ

radium, nhân viên các nhà máy điện nguyên tư và nhân viên trong các cơ sở công

nghiệp có sử dụng bức xạ, các bệnh nhan bị chiếu xạ để chẩn đoán và điều trị Các

nhóm dân chúng sống sót sau hai trận ném bom nguyên tử xuống Nhật Bản năm 1945

cũng cung cấp thông tin rất quan trọng Đó là khoảng 270.000 người nhận các dãy liều

khác nhau từ trên mức phông đến một vài Gy (vài trăm rad), phụ thuộc vào vị trí của

họ trong thời điểm ném bom Một nhóm khác là những người bị chiếu xạ bởi các chất

rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân, các vụ tai nạn lò phản ứng hạt nhân, chẳng hạn

tai nạn Windscade tại Anh năm 1956 và Chemobyl tại Ucraina năm 1986 (tai nạn

Three Mine Island chiếu xạ dân chúng không đáng kể), cũng như một số lớn các tai

nạn nghiêm trọng của các nguồn phóng xạ kín, và cuối cùng là dân chúng sống tại các

vùng có mức phóng xạ tự nhiên cao Từ các sự kiện này tích lũy được thông tin khá

lớn về dữ liệu hiệu ứng – liều cho phép xác định các mức bức xạ môi trường và các

biện pháp kiểm tra công nghệ sao cho các ứng dụng y tế khoa học và công nghiệp của

kỹ thuật hạt nhân có thể phát triển ở các mức rủi ro không lớn hơn và tần số thấp hơn

các rủi ro do các ứng dụng khoa học và công nghệ khác mà xã hội chấp nhận về

phương diện an toàn Vấn đề quan trọng khác mà các nhà khoa học tích lũy được một

cách hệ thống trong thời gian qua là nghiên cứu sự tương tác giữa bức xạ và vật chất

sống, cụ thể là cơ chế của hiệu ứng bức xạ lên các mức phân tử tế bào và các cơ quan

cua có thể Trên cơ sở các nghiên cứu cơ bản cũng như các dữ liệu thực tế thu thập

được, ngày nay các nhà khoa học có được sự hiểu biết một cách hệ thống về các hiệu

ứng bức xạ lên các cơ quan trong có thể người, thiết lập được các mức giới hạn về liều

chiếu và nồng độ giới hơn các nhân phóng xạ, xác định được các triệu chứng bệnh

phóng xạ và các biện pháp chữa trị, v.v…

1 CƠ THỂ CON NGƯỜI

Cơ thể con người là đối tượng quan trọng nhất khi nghiên cứu các hiệu ứng sinh

học của bức xạ Có hai cách chiếu xạ lên cơ thể người là chiếu xạ ngoài (external

exposure) từ bên ngoài cơ thể và chiếu xạ bên trong (internal exposure) từ bên trong

cơ thế

Chiếu xạ ngoài là sự chiếu xạ do nguồn bức xạ bên ngoài lên cơ thể

Chiếu xạ trong là sự chiếu xạ do nguồn phóng xạ hở xâm nhập vào trong cơ thể Sự

hiểu biết về cơ thể người cho phép trả lời hai vấn đề cơ bản khi cơ thể chịu tác dụng

Việc hiểu biết cấu trúc và chức năng các cơ quan trong cơ thể và số phận các chất

phóng xạ xâm nhập vào cơ thể giúp ích trong việc xác định liều bức xạ của các chất

phóng xạ trong cơ thể và tính toán được giới hạn an toàn các chất phóng xạ được phép

xâm nhập vào cơ thể

Cơ thể con người dựa trên một bộ xương Bao phủ bên ngoài là một lớp da làm

nhiệm vụ bảo vệ, trao đổi nhiệt và cân bằng thể dịch Bên trong là những cơ quan chức

năng như hô hấp, tiêu hóa, tuần hoàn, tiết niệu, v.v…Các cơ quan này có nhiệm vụ thu

nhận không khí, thừa ăn, nước, vận chuyển vật chất và thải chất thì ra ngoài Về

phương diện an toàn bức xạ, các cơ quan đó cũng là các phương tiện, nhờ đó các nhân

phóng xạ xâm nhập vào cơ thể, vận chuyển bên trong đó và cuối cùng là bị thải ra

ngoài