2016 ĐHQG Cơ sở vật lý phóng xạ

1 CƠ SỞ VẬT LÝ PHÓNG XẠ Nguyên tử Nguyên tử gồm hai thành phần hạt nhân electron chiếm khoảng không gian xung quanh hạt nhân Hạt nhân nguyên tử bao gồm hai loại hạt: hạt proton mang điện tích dương hạt neutron không mang điện tích, chúng gọi chung nucleon Các nucleon gắn kết với nhờ lực hạt nhân, loại tương tác mạnh koảng cách gần Số proton nhân gọi số nguyên tử Z Tổng số proton neutron nhân gọi số khối A Đồng vị phóng xạ Các nguyên tử nguyên tố có hạt nhân chứa số proton (Z) khác số neutron (N) gọi đồng vị Các đồng vị có số khối A khác (vì A = Z+N) Một nguyên tố có nhiều đồng vị , số có đồng vị bền 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 loại xạ hạt alpha, hạt beta, photon gamma v.v Phân rã phóng xạ Các đồng vị phóng xạ (hạt nhân mẹ) tự phân rã hạt nhân, phát xạ ( alpha (α), beta (β-,β+), gamma (γ)…), gọi phân rã phóng xạ, biến đổi thành hạt nhân khác ổn định, bền vững hơn, 3.1 Phân rã alpha Phân rã alpha trình hạt nhân X tự phân rã, phát hạt alpha (α) có cấu trúc hạt nhân Heli (24He) , biến đổi thành hạt nhân khác A Z X→ A− Z −2 A + 24 He 3.2 Phân rã Beta Phân rã beta bao gồm 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 -) trình hạt nhân Z A X biến đổi neutron (n) thành proton (p) xạ β - (là e-) kèm theo phản neutrino (ν ) n → p + β − +ν A Z X→ Y + β − +ν A Z +1 Ví dụ: 131 53 I → 131 54 Xe + −1 e + ν 3.2.2 Phân rã positron (β +) Phân rã positron(β +) trình hạt nhân Z A X biến đổi proton (p) thành neutron (p) xạ positron β+ (là phản electron e+) kèm theo hạt neutrino (ν) 4 p → n + β + +ν A Z X→ Y + β + +ν A Z −1 Ví dụ: 22 11 Na → 1022 Ne + +10 e +ν 3.2.3 Phân rã Bắt electron (e - ) Phân rã bắt electron trình hạt nhân Z AX giàu proton bắt electron quỹ đạo ( tầng K, L) nguyên tử proton (p) nhân hấp thụ để biến thành neutron (n) neutrino (ν) p + e -→ n + ν A Z X + e− → Y +ν A Z −1 Ví dụ: 55 26 Fe + −10 e → 55 25 Mn +ν + Đi kèm với phân rã bắt electron, đồng vị phóng xạ có phát xạ tia X, xạ Electron Auger xạ Ga mma theo qui trình sau: a) Bức xạ photon tia X : sau bắt electron, nguyên tử trạng thái kích thích, electron tầng (có lượng cao hơn) chuyển vào chiếm chỗ trống electron bị bắt để đưa nguyên tử trạng thái có lượng thấp Trong trình electron giải phóng lượng thừa dạng photon tia X đặc trưng nguyên tử hoặc, b) Bức xạ Electron Auger: phần lớn electron chuyển lượng thừa thành xạ tia X trên, số electron khác truyền lượng thừa cho electron quỹ đạo khác đẩy electron bay khỏi nguyên tử với tên gọi electron Auger c) Bức xạ photon Gamma : phân rã bắt electron, hạt nhân sinh thường trạng thái kích thích nên trở mức lượng cách giải phóng lượng thừa dạng photon gamma Sự phát xạ gamma (γ) Sau hạt nhân phóng xạ mẹ ( Z AX ) phân rã α β+ , β-, hạt nhân tạo thường trạng thái kích thích ( Z AY*) hay lưỡng bền (metastable – m) với mức lượng E Hạt nhân sau dó trở trạng thái bền với mức lượng E1 thấp đồng thời giải phóng lượng thừa (∆E = E2 - E1) dạng xạ gamma (γ) Bức xạ gamma photon sóng điện từ có tần số ν Z A Y*→ Z Y+γ A ∆E= E2 - E1 = h ν Trong h số Plank + 606 keV Ví dụ : + 364 keV Sơ đồ phân rã Chuổi phân rã hạt nhân mô tả sơ đồ phân rã, vạch ngang mức lượng, mũi tên kiểu phân rã Chuỗi phân rã A hạt nhân mẹ ( Z X ) mức lượng cao bị giảm dần xuống tới mức thấp Mũi tên hướng bên trái phát alpha, positron bắt điện tử; hướng bên phải phát β- ; hướng thẳng đứng phát γ Tên hạt nhân tên loại xạ ghi rõ sơ đồ Sự phân rã mô tả theo vị trí hạt nhân mẹ xác định số Z (proton ) N (neutron) theo toạ độ (Z,N) Các mũi tên ứng với kiểu phân rã , từ vị trí hạt nhân mẹ đến vị trí hạt nhân tạo Khi hạt nhân phát tia gamma, vị trí hạt nhân không thay đổi ên thẳng đứng, số Z không đổi Quy luật phân rã hạt nhân: Sự phân rã hạt nhân không bền hoàn toàn ngẫu nhiên, biết nguyên tử phân rã phân rã lúc Tuy nhiên, theo quy luật số lớn thống kê học, mẫu chứa số lớn hạt nhân phóng xạ ban đầu (N0) phân rã tuân theo quy luật hàm mũ sau: Trong N0 số lượng hạt nhân phóng xạ có từ ban đầu (ở thời điểm t = 0) N(t) số lượng hạt nhân phóng xạ lại (chưa phân rã) thời điểm t λ số phân rã, xác xuất để loại hạt nhân xác định phân rã đơn vị thời gian Mỗi loại hạt nhân phóng xạ khác có λ riêng khác hoàn toàn không chịu ảnh hưởng tác nhân hoá học hay vật lý bên nhân Chu kỳ bán rã hay Thời gian bán rã (T1/2 hay TP): Là thời gian cần thiết để tổng số hạt nhân ban đầu (No) phân rã hết nửa (N=No/2), tính sau: N = = No T1/2 = e-λT1/2 ln 0,693 = λ λ Đường cong phân rã phóng xạ: Đường cong biểu diễn N(t) theo thời gian T1/2 vẽ sau: Hoạt độ phóng xạ : Hoạt độ phóng xạ, A, nguồn phóng xạ số hạt nhân phóng xạ phân rã đơn vị thời gian thời điểm xác định nguồn, tính đơn vị Bq (Becquerel) Ci (curie) , : 1Bq =1 phân rã/1 s 1Ci =3.7x1010Bq= 37,037 MBq Bq = 2.70×10−11 Ci Đường cong biểu diễn hoạt độ A (t) theo thời gian (và T1/2 ) vẽ sau : Các đồng vị phóng xạ thông dụng 9.1 Đồng vị phóng xạ I-131 Hạt nhân I-131 phân rã phóng xạ β- biến đổi thành hạt nhân 131Xe trạng thái kích thích Ngay sau đó, lượng kích thích giải phóng dạng xạ gamma để hạt nhân 131Xe trở trạng thái bền vững Chu kỳ bán rã I-131 ngày Sơ đồ phân rã I-131 sau: Phần lớn hạt electron (β-) 131I có lượng 606 keV (chiếm 89%) xạ gamma có lượng 364 keV (chiếm 81% ) Năng lượng trung bình hạt electron (β-) khoảng 190 keV có độ xuyên thấu mô từ 0.6 đến mm nên dùng để xạ trị (tiêu diệt tế bào ác) Y học hạt nhân Các tia gamma 364 keV xuyên thấu qua thể nên ghi đo in Vivo từ bên thể 9.2 Đồng vị phóng xạ Tc-99m Hạt nhân Tc-99m trạng thái kích thích biến đổi thành hạt nhân Tc-99 trạng thái coi bền, lượng kích thích giải phóng dạng xạ gamma với chu kỳ bán rã Sơ đồ phân rã Tc-99m sau: Sơ đồ phân rã Tc -99m 9.3 Máy phát đồng vị (99Mo-99mTc) Máy phát đồng vị (99Mo-99mTc) dung để sản xuất đồng vị phóng xạ Tc-99m, chất phóng xạ thường dùng y học hạt nhân Trong máy phát, hạt nhân Mo-99 ( hạt nhân mẹ) có đời sống dài phân rã phóng xạ beta để biến đổi thành hạt nhân Tc-99m (hạt nhân con) trạng thái kích thích lưỡng bền (metastable) có đời sống ngắn Sau Tc-99m tự giải phóng lượng kích thích dạng xạ gamma để trở hạt nhân Tc-99 mức lượng bền (Tc-99 coi hạt nhân bền Tc-99 phân rã β thành Ru-99 với thời gian bán rã dài (2.12 x 105 năm) Sơ đồ phân rã Mo-99 thành Tc-99m sau: 10 Trong “Máy phát đồng vị 99Mo-99mTc “ Mo-99 phân rã thành Tc-99m với thời gian bán rã 66 Tc-99m tách chiết khỏi cột chứa Mo-99 sử dụng độc lập hạt nhân phóng xạ gamma lượng 140 keV (98.6%) với thời gian bán huỷ 9.4 Bảng liệt kê đồng vị phóng xạ thông dụng y học hạt nhân: Đồng vị phóng xạ I-131 I-125 I-129 P-32 Mo-99 Tc-99m Tl-201 Ir-192 Ba-133 Co-60 Co-57 Cs-137 Sr-90 Au-198 Y-90 Ge-68 Ga-68 T1/2 8.04 ngày 60 ngày 15.7 triệu năm 14.2 ngày 67 giờ 73.5 74.2 ngày 7.5 năm 5.26 năm 270 ngày 30 năm 12 năm 2.7 ngày 64.2 288 ngày 68 phút Năng lượng hạt (MeV) E (β-) = 61 Năng lượng Gamma (MeV) 36 0.025-0.035 0.029-0.040 E (β-) = 1.7-1.9 E (β-) = 1.23 E (β-) = 0.67 E (β-) = 0.314 E (β-) = 0.514 Emax(β-) = 0.5-0.7 E(β-) = 0.96;1.37… E (β-) = 225 + E (β ) = 1.899 0.14 0.135 ; 1.167 0.316; 0.468; 0.308 1.173; 1.133 0.122 -0.136 0.662 0.414 0.00924 0.511 (178%);1.077 (3%) 11 C-11 N-13 O-15 F-18 20.4 phút 10 phút phút 110 phút (88%);0.822 (1%) E (β+) = 0.972 E (β+) = 1.201 E (β+) = 1.726 E (β+) = 0.645 0.511 0.511 0.511 0.511 ... 0,693 = λ λ Đường cong phân rã phóng xạ: Đường cong biểu diễn N(t) theo thời gian T1/2 vẽ sau: Hoạt độ phóng xạ : Hoạt độ phóng xạ, A, nguồn phóng xạ số hạt nhân phóng xạ phân rã đơn vị thời gian... đồng vị phóng xạ thông dụng 9.1 Đồng vị phóng xạ I-131 Hạt nhân I-131 phân rã phóng xạ β- biến đổi thành hạt nhân 131Xe trạng thái kích thích Ngay sau đó, lượng kích thích giải phóng dạng xạ gamma... bền nên tự phân rã phóng xạ để biến đổi thành hạt nhân bền Khi phân rã, hạt nhân thường phát loại xạ hạt alpha, hạt beta, photon gamma v.v Phân rã phóng xạ Các đồng vị phóng xạ (hạt nhân mẹ) tự