Bài tiểu luận YHHN dành cho y học hạt nhân và sinh viên y

Các tia bức xạ được khảo sát trong bài bao gồm tia α, tia β, tia γ và tia X.Trong quá trình tương tác của phóng xạ với vật chất, năng lượng của tia phóng xạđược truyền cho các electron q

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA Y DƯỢC

BÀI TIỂU LUẬN CÁC LOẠI TIA PHÓNG XẠ THƯỜNG SỬ DỤNG

TRONG Y HỌC HẠT NHÂN

Nguyễn Huy Du Gs TSKH Phan Sỹ An Trần Thị Giang Ths Bs Doãn Văn Ngọc Mai Thị Huệ

Nguyễn Minh Quân Đồng Thị Diệu Thu

MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA TIA α 6

1.Định nghĩa 6

2.Nguồn gốc 6

3 Tính chất vật lý 6

4.Ứng dụng của tia α 8

II Đặc điểm của tia β 9

1.Định nghĩa 9

2.Nguồn gốc 9

3.Tính chất vật lý 10

4.Ứng dụng của tia β 14

III ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨN DỤNG CỦA TIA γ 15

1.Định nghĩa 15

2.Nguồn gốc 15

3 Tính chất của tia 16

4.Ứng dụng của tia γ: 19

ĐẶT VẤN ĐỀ

Năm 1896, Becquerel đã phát minh ra hiện tượng phóng xạ qua việc pháthiện bức xạ quặng Uản Tiếp theo là các phát minh trong lĩnh vực vật lỹ hật nhâncủa ông bà Marie và Pierre Curie và nhiều nhà khoa học khác Kể từ đó, hiệntượng phóng xạ được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là ứng dụngtrong y học Năm 1941, lần đầu tiên Halminton dùng I131 điều trị bệnh của tuyếngiáp, mở rộng việc áp dụng rộng rãi các đồng vị phóng xạ vào điều trị bệnh

Với sự ra đời của các kỹ thuật điện tử, tin học, hóa học…những ứng dụngcủa tia phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị bệnh đã góp phần tích cực trong việcbảo vệ sức khỏe con người

Các tia bức xạ được khảo sát trong bài bao gồm tia α, tia β, tia γ và tia X.Trong quá trình tương tác của phóng xạ với vật chất, năng lượng của tia phóng xạđược truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân tùy thuộc vào loại và nănglượng bức xạ xũng như bản chất của môi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung củachúng gây ra là ion hóa và làm kích thích vật chất Đặc biệt chúng có tác dụng sinhhọc rất mạnh mẽ khi sử dụng trên cơ thể con người

Bài tiểu luận xin được đặc điểm của từng loại tia phóng xạ và một số ứngdụng của chúng trong y học, cụ thể là chẩn đoán và điều trị Qua đó ta có thể hiểu

rõ về bản chất của việc sử dụng các đồng vị phóng xạ một cách khoa học và cụ thể,đồng thời thấy được những thành tựu rất lớn trong công cuộc bảo vệ sức khỏe conngười, chống lại bệnh tật khi ứng dụng công nghệ hạt nhân vào y học

I ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA TIA α

1.Định nghĩa

Hạt Alpha hay tia alpha là một dạng của phóng xạ Hạt alpha gồm haiproton và hai neutron liên kết với nhau thành một hạt giống hệt hạt nhânnguyên tử helium, do đó, hạt alpha có thể được viết là He2+

2.Nguồn gốc

Những hạt alpha có tên như chữ cái đầu tiên trong bảng chữ cái Người HyLạp, α Ký hiệu cho tia alpha là α or α2+ , bởi vì chúng đồng nhất với hạt nhânHelium Do đó, hạt alpha có thể được viết là He2+

Các hạt Alpha thông thường là sản phẩm của quá trình phân rã alpha ( Alphadecay ), tuy nhiên cũng có thể là sản phẩm của nhiều quá trình khác Hạt alphaxuất hiện trong phân rã của hạt nhân phóng xạ như là Uranium hoặc Radiumtrong một quá trình gọi là phân rã alpha Đôi khi sự phân rã làm hạt nhân

ở trạng thái kích thích khởi động phân rã gamma để giải thoát năng lượng

3 Tính chất vật lý

Alpha decayThành phần 2 protons, 2 neutrons

Ký hiệu α, α2+, He2+

Khối lượng 6.644657230(82)×10−27 kg[1]

4.001506466(49) u3.727379508(44) GeV/c2

Điện tích 2 e

- 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 xạphát ra cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học, quãng chạy của

nó có kích thước cỡ micromet

- Truyền năng lượng của hạt alpha

Cũng 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 năng lượng trung bình 35eV 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 không khí

- Phân rã Alpha ( Alpha decay )

Là hiện tượng hạt nhân (zXA) tự động phát ra alpha (2He4 ) và trở thành hạt nhân con (Z-2YA-4)

ZXA → 2He4 + Z-2Y A-4

 Năng lượng trong phân rã alpha

Khi so sánh năng lượng phân rã alpha Eα giữa các đồng vị trong cùng mộtnguyên tố thì thấy năng lượng Eα giảm khi A tăng Hiện tượng này đúng khi A

< 209 và A > 215 Với A ∊ (209, 215) thì ngược lại Nhờ tính chất này ta có thểtiên đoán được năng lượng phân rã alpha đối với các đồng vị chưa biết của cùngmột nguyên tố cho trước

Hình 1.1: Năng lượng phân rã alpha phụ thuộc theo số khối A của các đồng vị

Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa

Bộ phận chính của phổ kế từ là nam châm điện tập trung các hạt alphanăng lượng khác nhau ở các vị trí khác nhau Một bản rất mỏng vậtliệu hoạt tính alpha là nguồn phát alpha còn detector ghi hạt alpha là các tấmphim ảnh hoặc ống đếm alpha Độ phân giải năng lượng của phổ kế từ rấtcao, có thể đạt đến 5keV

4 Ứng dụng của tia α

Phân rã α là một loại bức xạ ion hóa trong đó các hạt alpha được phóng ra từcác hạt nhân của các nguyên tử không ổn định Các hạt alpha lớn, các hạt hạ nguyên tử mạnh mẽ mà có hại cho các tế bào của con người; Tuy nhiên, chúng

có xu hướng mất đi năng lượng của mình một cách nhanh chóng, hạn chế khả năng xâm nhập vào vật liệu Có rất nhiều cách trong đó khoa học sử dụng thànhcông bức xạ alpha một cách có lợi

- Điều trị ung thư (Cancer Treatment)

Bức xạ alpha được sử dụng để điều trị các dạng ung thư khác nhau.Trong quá trình này, được gọi là niêm phong nguồn xạ trị, bao gồm việc chèn một lượng nhỏ radium-226 vào khối ung thư Các hạt alpha tiêu diệt các tế bào ung thư nhưng thiếu khả năng thâm nhập làm tổn hại đến các tế bào khỏe mạnh xung quanh Radium-226 đã phần lớn được thay thế an toàn hơn, các nguồn bức xạ có hiệu quả hơn, chẳng hạn như cobalt-60 Xofigo, tên thương hiệu của Radium-223, vẫn được sử dụng để điều trị ung thư xương

II Đặc điểm của tia β

1 Định nghĩa

Tia Beta gặp trong các trường hợp hạt nhân không ổn định và tuy không quá nặngnhưng lại có nhiều proton hay notron Khi có nhiều notron sự biến đổi notron thànhproton phát sinh một điện tử(-), tốc độ cao, hạt ß (-) Khi có nhiều protron, sự biếnđổi ngược lại và phát sinh một điện tử (+) hay một positron hoặc hạt ß (+)

Như vậy, tia ß là chùm điện tử, phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo hiệntượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) hoặc ngược lại

2 Nguồn gốc.

electron e = -1,6.10 -19 Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron

Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu zX A chuyển thành hạt nhân z+1 Y A và phát ra hạtelectron cùng phản hạt neutrino V

electron

M i = M(Z, A) + Z m e và M f = M(Z +1, A) + (Z +1) m e Khi đó điều kiện phân rã ß - thành:M i > M f

Là hạt positron có khối lượng bằng khối lượng electron song có điện tích dương +1e Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ sốN Z quá thấp và phân rã alpha khôngxảy ra do không thỏa mãn điều kiện về năng lượng theo công thức:

năng lượng E t để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài Động năng E k của electron

bị bắn ra liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng E t

- Độ ion hóa riêng.

Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được mộtcentimet trong môi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng khá cao đối vối các hạt betanăng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta và đạt cực tiểu ở năng lượngkhoảng 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 doion hóa và kích thích

- Hệ số truyền năng lượng tuyến tính

Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượngtuyến tính của môi trường khi hạt beta đi qua nó Đại lượng xác định tốc độ hấp thụnăng 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: LET=d E t

dl

dE t là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ khi đi qua

quãng đường dài dl Đơn vị đo thường dùng đối với LET là keV / μmm.

- Bức xạ hãm

Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngộthướng 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 đạibằng động năng của hạt beta

- Quãng chạy của hạt beta trong vật chất.

Nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất, chùm tia này bị dừng lại sau mộtkhoảng đường đi nào đó Khoảng đường đi này gọi là quãng chạy (range) của hạtbeta, quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng tia beta và mật độ vật chấtcủa môi trường hấp thụ

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 và cho thấy

rằng quãng chạy của hạt beta

với năng lượng cho trước

giảm khi tăng mật độ chất

hấp thụ

Năng lượng hạt beta, MeV

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 chạytheo đơn vị bề dày mật độ

- Phổ năng lượng của β

Khác với phân rã alpha, trong phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và phảnneutrino Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không phải chỉ quan tâm đếnnăng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay ra Ở đây bỏ quanăng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con Do tính chất thống kê của quá trình phân

rã nên sự phân chia năng lượng electron và phản neutrino trong một phân rã là ngẫunhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kỳ từ 0 đên năng lượng cực đại khả

dĩ Emax Tuy nhiên với một số lớn phân rã beta thì phân bố năng lượng của electronkhông phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác định Phân bố năng lượng này gọi là phổelectron của phân rã beta.

Khác với phổ alpha là phổ vạch, tất cả các hạt alpha trong cùng mỗi nhóm có năng lượng như nhau Trong khi phổ beta là liên tục có dạng như hình vẽ:

0 0,5 1,0 1,5

Hình 1.4: Phổ năng lượng electron trong phân

rã beta của đồng vị phóng xạ P32

- Tính đâm xuyên.

Tia beta là các điện tử, sức xuyên thấu của nó mạnh hơn so với tia alpha nhưng có thể

bị chặn lại bằng tấm kính mỏng hoặc tấm kim loại Sẽ nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ thể những chất phát ra tia beta

4 Ứng dụng của tia β

Tia β có mức năng lượng khá lớn nhưng so với tia α thì lại nhỏ hơn khá nhiều Với tính chất đâm xuyên của mình, khi đưa đồng vị phóng xạ phát tia β vào trong cơ thể thì tia β trong mô mềm chỉ đi được 1 khoảng cách nhỏ Điều này rất phù hợp trong điều trị Cụ thể người ta đã ứng dụng các dược chất phóng xạ phát tia β để điều trị cáckhối u có kích thước nhỏ trong cơ thể bằng phương pháp chiếu trong

III ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨN DỤNG CỦA TIA γ

Trên trái đất, tia gamma thường sinh ra bởi sự phân rã gamma từ đồng vị phóng

xạ tự nhiên và bức xạ thứ cấp từ các tương tác với các hạt trong tia vũ trụ Cũng cónhững nguồn gamma tự nhiên khác không có nguồn gốc hạt nhân, ví dụ như các tia sét

Bên ngoài vũ trụ có rất nhiều quá trình có thể sản sinh tia gamma, và đồng thời các điện tử có năng lượng rất cao được tạo ra Từ đó chúng lần lượt gây ra các tia gamma thứ cấp bởi cơ chế của bức xạ hãm, Compton ngược và bức xạ điện tử Phần lớn các tia gamma vũ trụ đều bị chặn lại bởi bầu khí quyểncủa trái đất và chỉ

có thể được phát hiện bởi các trạm nghiên cứu trên không gian hoặc tàu vũ trụ.Tia gamma sinh ra từ các phản ứng hạt nhân, gồm có:

 Quá trình phân rã các đồng vị có tính phóng xạ, như đồng vị kali 40K;

 Tương tác giữa các hạt cơ bản, như quá trình hủy cặp electron-positron, hay

va đập của neutron vào hạt nhân urani 235U gây vỡ hạt nhân này

- Lịch sử phát hiện

Các nguồn tia gamma đầu tiên được phát hiện trong lịch sử là sự phân rã phóng

xạ quá trình được gọi là phân rã gamma Trong loại này phân hủy, mộtkích

thích hạt nhân phát ra một tia gamma gần như ngay lập tức sau khi hình thành (nayđược hiểu rằng một hạt nhân chuyển đồng phân , tuy nhiên, có thể sản xuất phân rãgamma ức chế với một đo lường và lâu hơn nửa cuộc đời) Paul Villard , một hóahọc người Pháp và nhà vật lý, phát hiện bức xạ gamma trong năm 1900, trong khibức xạ phát ra từ nghiên cứu radium Villard biết rằng bức xạ được mô tả ông làmạnh hơn so với các loại mô tả trước đây của các tia từ radium, trong đó baogồm các tia beta , lần đầu tiên được ghi nhận như "phóng xạ" của HenriBecquerel vào năm 1896, và các tia alpha , phát hiện như là một hình thức thâmnhập ít hơn của bức xạ của Rutherford, trong năm 1899 Tuy nhiên, Villard đãkhông xem xét đặt tên cho chúng là một loại cơ bản khác nhau bức xạ Villard đã

được công nhận như là một loại cơ bản khác nhau từ tia tên trước đây, bởi ErnestRutherford , người vào năm 1903 có tên là tia Villard của " tia gamma "bằng cáchtương tự với các tia beta và alpha mà Rutherford đã phân biệt trong năm 1899 các"tia "được phát ra bởi nguyên tố phóng xạ được đặt tên theo thứ tự quyền lực của họ

để xâm nhập vào vật liệu khác nhau, bằng ba chữ cái đầu tiên của bảng chữ cái HyLạp : tia alpha là ít nhất thâm nhập, tiếp theo tia beta , tiếp theo tia gamma là sâusắc nhất Rutherford cũng lưu ý rằng các tia gamma không lệch (hoặc ít nhất,

không dễ dàng bị lệch) bằng một từ trường, một tài sản làm cho chúng không

giống như các tia alpha và beta

Tia gamma đầu tiên được cho là các hạt có khối lượng, giống như tia alpha vàbeta Rutherford ban đầu tin rằng họ có thể là các hạt beta rất nhanh, nhưng thất bạicủa họ để bị chệch hướng bởi từ trường, chỉ ra rằng họ không có tráchnhiệm Trong năm 1914, các tia gamma đã được quan sát được phản xạ từ bề mặttinh thể, chứng minh rằng họ đã bức xạ điện từ Rutherford và đồng nghiệp củaông Edward Andrade đo bước sóng của tia gamma từ radium, và thấy rằng họ làtương tự như X-quang, nhưng với bước sóng ngắn hơn và tần số (như vậy) caohơn Điều này cuối cùng đã được công nhận là cho họ năng lượng cũng nhiều hơnmỗi photon , ngay sau khi nhiệm kỳ thứ hai trở nên được chấp nhận chung Mộtphân rã gamma sau đó được hiểu là thường phát ra một photon gamma đơn

3 Tính chất của tia

Phóng xạ gamma ( ) là loại phóng xạ đi kèm với các loại phóng xạ , ,

 Hạt nhân con Y sau phóng xạ , , có thể ở trạng thái kích thích Hạt nhân này sau đó sẽ trở về trạng thái bình thường và phát ra phôtôn có năng lượng cao Các phôtôn này được gọi là tia gamma

 Không có biến đổi hạt nhân trong phóng xạ

 Vì hạt phóng xạ trong phóng xạ là phô tôn (không có điện tích và không

có khối lượng nghỉ) nên ta ký hiệu hạt gamma là

 Là dòng phôtôn có năng lượng cao mà mắt không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia X

 Tia có đầy đủ các đặc điểm như tia X nhưng có khả năng đâm xuyên cao hơn và có tác dụng sinh lý mạnh hơn

 Làm ion hóa không khí rất mạnh

 Trong bê tông có thể đi được vài met

 Trong chì có thể đi được vài centimet

- Năng lượng