Tiểu luận lý sinh: Đề tài: Tác dụng của bức xạ ion lên cơ thể người

Tác động trực tiếp và gián tiếp của bức xạ ion hóa trên DNABên trong hạt nhân của mỗi tế bào người có 46 nhiễm sắc thể được tổ chức thành hai bộ 23 nhiễm sắc thể. DNA trong tế bào của chúng ta liên tục bị phơi nhiễm với các tác nhân phá huỷ DNA. Các tác nhân này bao gồm các chất tia cực tím, chất tự nhiên và các chất gây đột biến do con người gây ra và các loại oxy hoạt tính tạo ra bởi bức xạ ion hoá. Khi các tế bào tiếp xúc với bức xạ ion hoá, tổn thương phóng xạ có thể xảy ra bằng hành động trực tiếp hoặc hành động gián tiếp. Tổn thương trực tiếp xảy ra khi các hạt alpha, các hạt beta hoặc tia X tạo ra ion có thể làm hỏng một hoặc cả hai xương sống phosphate xương sống hoặc phá vỡ các cặp base của DNA. Cơ sở cặp adenine, thymine, guanine và cytosine được giữ lại với nhau bằng các liên Qua quá trình tìm hiểu về tác dụng của bức xạ ion lên cơ thể người, em rút ra một số nhận xét về phóng xạ, bức xạ ion và mức độ tổn thương của cơ thể sống khi chịu tác dụng của bức xạ như sau:Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân tự động phát ra các tia phóng xạ (α, β, γ) và biến đổi thành hạt nhân khác. Đặc điểm của hiện tượng phóng xạ là nó xảy ra một cách tự phát, do nguyên nhân bên trong của hạt nhân tuyệt đối không chịu bất kỳ tác động nào từ bên ngoài. Tia phóng xạ là dòng các hạt chuyển động nhanh phóng ra từ các chất phóng xạ, các hạt phóng ra có thể chuyển động thành dòng định hướng. Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt anpha, hạt proton; mang điện âm như chùm electron phóng xạ beta; không mang điện như hạt nơtron, tia gamma. Bản chất của phóng xạ là bức xạ nhân tạo, tuy nhiên, hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân rã hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường. Bức xạ được phân loại theo năng lượng cao hay thấp, có hai loại đó là bức xạ ion hoá và bức xạ không ion hoá. Bức xạ ion hoá là bức xạ có đủ năng lượng cắt đứt các liên kết hóa học, đánh bật các điện tử ra khỏi các nguyên tử, tạo ra các ion có hoạt tính cao (như tia α, β, γ,…). Bức xạ không ion hoá là bức xạ không có đủ năng lượng cắt đứt các liên kết hóa học , không tạo ra các ion có hoạt tính cao (như ánh sáng mặt trời, sóng radio,…). Bức xạ ion hoá có thể tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cơ thể sống. Mức độ tổn thương do tác dụng của bức xạ ion hoá còn phụ thuộc vào:Tính chất của tia bức xạ.Vị trí của cơ thể bị tác động bức xạ.Thời gian bị nhiễm xạ.Liều lượng hấp thụ. Do đó, bức xạ ion hoá có thể gây tổn thương cơ thể sống ở mức độ phân tử, cũng có thể gây tổn thương ở mức độ tế bào, mô, cơ quan và toàn cơ thể…. Tiếp xúc lâu dài với bức xạ thường có những ảnh hưởng bất lợi đối với vật chất sống. Điều này là do khả năng ion hoá của bức xạ, có thể làm hỏng chức năng nội bộ của tế bào. Bức xạ ion hóa hoặc kích thích các

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đã biết chất phóng xạ luôn tồn tại quanh ta như một nền tảng của thếgiới tự nhiên Nó tồn tại trong không khí chúng ta hít thở hàng ngày, trong nước chúng

ta sử dụng, trong thực phẩm ăn hàng ngày hay bất cứ nơi nào mà ta đang ngồi có vẻ sẽ

có một loại thiết bị gần đó chứa đựng một nguồn phát ra phóng xạ

Hàng ngày, con người nhận được các bức xạ ion hoá từ các nguồn khác nhaunhư: phóng xạ đến từ các tia vũ trụ, mặt trời và Trái đất; phóng xạ từ các thiết bị điềutrị y tế; phóng xạ của chính cơ thể con người hay lượng nhỏ phóng xạ rò rỉ từ các nhàmáy hạt nhân và điện than đá thải vào môi trường… Trên thực tế những thảm hoạkinh hoàng đã và đang xảy ra trên thế giới có thể bắt nguồn từ những nguyên nhânkhác nhau trong đó không thể không nói đến phóng xạ Song song với những thảm hoạgây ra bởi phóng xạ thì cũng với những tiến bộ của khoa học kĩ thuật ngày nay, phóng

xạ cũng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học như công nghiệp, nông nghiệp, ysinh học, khai thác mỏ…

Vậy, phóng xạ có ích hay chỉ nguy hiểm, để hiểu rõ hơn vấn đề này em đã chọn

đề tài: “Tác dụng của bức xạ ion lên cơ thể người” để cung cấp cho đọc giả kiến thức

về bức xạ ion và phân biệt được cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống vàcác mức độ tổn thương của cơ thể sống

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu về phóng xạ, bức xạ ion hoá

- Tìm hiểu cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá với vật chất sống

- Phân tích các tổn thương do bức xạ ion hoá gây ra

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, phân tích, tổng hợp các tài liệu

NỘI DUNG

1 Khái niệm bức xạ ion hóa

Bức xạ là năng lượng phát ra từ các nguyên tử không ổn định ở dạng sóng điệnhoặc photon, hoặc dưới dạng các hạt hạ nguyên tử để trở nên ổn định hơn Hạt nhâncủa các nguyên tử không ổn định tan rã hoặc phân rã khi chúng phóng ra năng lượng

dư thừa dưới dạng bức xạ

Bức xạ gồm có bức xạ ion hoá và bức xạ không ion hoá môi trường vật chất.Các bức xạ không ion hoá (như ánh sáng, nhiệt, radar và sóng vô tuyến) kích thích vậtchất đi qua nhưng không phá vỡ các liên kết phân tử và loại bỏ (hoặc loại bỏ) cácelectron khỏi các nguyên tử Mặt khác, bức xạ ion hoá (như tia X và tia vũ trụ) có thể

đi qua vật chất, phá vỡ các liên kết phân tử và loại bỏ (hoặc loại bỏ) các điện tử ra khỏinguyên tử để trở thành điện tích hoặc ion hoá Bức xạ ion hoá bao gồm : các bức xạion hoá trực tiếp đó là các hạt mang điện (electron, proton, hạt α….) có động năng đủ

để gây ra hiện tượng ion hoá do va chạm và các bức xạ ion hoá gián tiếp (các hạtneutron, tia X, tia γ , … .) có thể giải phóng các hạt ion hoá trực tiếp hay biến đồi hạtnhân

Như vậy, bức xạ ion hoá có thể hiểu là hiện tượng môi trường vật chất bức xạ racác ion âm, ion dương và các điện tử tự do một cách trực tiếp hay gián tiếp do sựtương tác giữa các nguyên tử, phân tử của môi trường đó với các nguồn chiếu xạ cónăng lượng cao

Người ta chia bức xạ ion hóa ra làm hai loại :

* Hạt vi mô có khối lượng tĩnh

Gồm các hạt vi mô có khổi lượng tĩnh nhất định, có tích điện hoặc không tích điện :

- Hạt vi mô hay gặp nhất là điện tử (electron, negatron) Hạt điện tử có khốilượng tĩnh rất nhỏ, chỉ bằng 1/1840 khối lượng của hạt nhân Hidro và mang 1đơn vị điện tích (đvđt) âm Điện tử cấu tạo chuyển động trên các quỹ đạo của nguyên

tử còn điện tử tự do tồn tại trong vật chất dưới dạng chuyển động nhiệt Điện tử cũng

có thể được phát ra từ hạt nhân nguyên tử do phân ra beta âm

- Hạt proton có khối lượng bằng 1 đơn vị khối lượng nguyên tử (1đvC) vàmang 1 đvđt dương Hạt proton là một trong hai hạt cơ bản cấu tạo nên hạt nhânnguyên tử.

- Hạt alpha có khối lượng và điện tích lớn nhất trong số các hạt vi mô Nó cóthể được phát ra từ hạt nhân nguyên tử qua sự phân rã phóng xạ, có cấu tạo như hạtnhân nguyên tử Helium (He) tức là có 4 đơn vị khối lượng và 2 đơn vị điện tích dươnghay gồm 2 proton và 2 neutron liên kết lại

- Đặc biệt là hạt neutron có khối lượng là 1 đvC và không mang điện, do đó cómột số đặc điểm khác với các hạt trên khi tương tác với vật chất

* Photon năng lượng cao

Đó là các bức xạ có bản chất là các sóng điện từ như ánh sáng Chúng không cókhối lượng tĩnh và không mang điện Năng lượng của photon được thể hiện trong bướcsóng của nó theo công thức :

E=h.f hay E=h.c/λ

Trong đó : f là tần số ;

λ là bước sóng ;

h là hằng số Planck ;

c là tốc độ lan truyền của photon trong chân không

Photon năng lượng cao là các photon gamma và tia X (tia Rơnghen)

2 Các nguồn phát bức xạ

Nguồn phát ra bức xạ là khối vật chất được chế tạo có chứa đồng vị phóng xạ,phát ra bức xạ ion hóa đặc trưng Bức xạ phát ra có thể là một hoặc nhiều thành phầngồm các tia gamma, hạt alpha, hạt beta, và neutron Có thể phân chia thành hai loạinguồn phát bức xạ ion hoá chính : bức xạ tự nhiên và bức xạ nhân tạo Bức xạ tự nhiên

là những nguồn bức xạ có sẵn trong tự nhiên phát ra từ bức xạ vũ trụ, bức xạ của cácđồng vị có sẵn trong không khí và mặt đất Ngoài ra, nó còn có thể có trong thức ăn,nước uống, vật dụng đồ đạc hay từ chính cơ thể con người Bức xạ nhân tạo là cácnguồn phát tia hay từ phản ứng hạt nhân

2.1 Bức xạ tự nhiên

Hàng ngày, con người phải nhận một lượng bức xạ từ môi trường xung quanhchiếu vào từ 4 nguồn chính: bức xạ vũ trụ (8%), bức xạ nền đất đá (8%), bức xạ khôngkhí (chủ yếu khí Randon: 55%), nhiễm xạ tự nhiên trong cơ thể (trong thức ăn, nướcuống: 11%)

2.1.1 Bức xạ vũ trụ

Các bức xạ proton, alpha,… năng lượng cao rơi vào khí quyển trái đất từ khônggian bên ngoài gọi là các bức xạ vũ trụ Bức xạ vũ trụ đến từ mặt trời và dải thiên hànhưng hầu hết bị cản lại bởi bầu khí quyển bao quanh trái đất Liều chiếu do bức xạ vũtrụ không đồng đều ở các vùng địa lý khác nhau, phụ thuộc vào độ cao và vĩ độ Trênđỉnh núi cao cường độ phóng xạ lớn hơn nhiều so với mặt biển Ví dụ : suất liều trungbình của bức xạ vũ trụ ở vùng xích đạo, ngang mặt nước biển là 0,2 mSv/năm, trongkhi đó ở nơi cao 3000m, suất liều lên tới 1 mSv/năm

Bức xạ vũ trụ từ thiên hà

Chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa trái đất, thành phần bao gồm92,5% là các hạt proton năng lượng cao, khoảng 7% là các hạt alpha và các hạt ionnặng hơn, phần còn lại là các electron, photon và neutron

Bức xạ vũ trụ từ mặt trời

Chúng được sinh ra từ các vụ nổ trong mặt trời và thay đổi theo chu kì hoạtđộng của mặt trời Chúng tương tác với hạt nhân nguyên tử không khí và tạo ra nhữngtia bức xạ thứ cấp bao gồm electron, neutron, proton, gamma… với năng lượng tươngđối thấp, vào khoảng ≤400 MeV và có cường độ rất lớn ≈106-107 hạt/cm2.s Con ngườichủ yếu bị chiếu xạ bởi những tia bức xạ thứ cấp

2.1.3 Bức xạ không khí

Chủ yếu tạo ra do phân rã một số nguyên tố phóng xạ tự nhiên có trong đất, đá.Khí phóng xạ (chủ yếu là Radon) được sinh ra do phân rã của Randium-226 Trongnhà nồng độ khí Randon có thể cao hơn gấp nhiều lần so với ngoài trời Radon và cácsản phẩm phân rã sống ngắn của nó (218Po,214Pb,214Bi,214Po) xâm nhập vào cơ thể sẽ gâychiếu xạ ở phổi và đường hô hấp Liều trung bình do Radon tạo ra khoảng 2 mSv/năm

2.1.4 Bức xạ từ thức ăn, nước uống

Được tạo ra do các chất phóng xạ tự nhiên thâm nhập vào cây cỏ và động vật.Trong thức ăn, nước uống có chứa một lượng nhất định các chất phóng xạ nhưPostasium, Radium, Thorium và Cacbon-14 Liều chiếu do bức xạ loại này thườngnhỏ, khoảng 0,1 mSv/năm

Tổng liều bức xạ tự nhiên (trừ Radon) trung đối với một người khoảng 1-2mSv/năm Radon trong nhà tạo ra liều bổ sung 1-3 mSv/năm Trong đó, chỉ có Radon

là nguồn phóng xạ độc hại có thể gây ung thư phổi, còn lại bức xạ tự nhiên khác khônggây hại đối với sức khoẻ con người, nó là một phần của tự nhiên và tạo hoá

2.2 Bức xạ nhân tạo

Bức xạ nhân tạo do con người tạo ra bao gồm : tia X tạo ra từ các thiết bị pháttia va tia phóng xạ tạo ra từ chất phóng xạ nhân tạo được điều chế từ các lò phản ứnghạt nhân Bức xạ nhân tạo được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực như sinh học, yhọc, công nghiệp, nông nghiệp, quân sự và trong nghiên cứu

2.2.1 Chiếu xạ y tế

Trong lĩnh vực y tế hiện nay đang sử dụng khá phổ biến các nguồn bức xạ đểphục vụ việc chẩn đoán, điều trị bệnh (đặc biệt là điều trị ung thư) đó là tia X tạo ra từmáy phát tia trong X quang chẩn đoán, máy xạ trị và dược chất phóng xạ Theo báocáo của ICRP, liều trung bình mà một người phải nhận được từ các nguồn bức xạ nhântạo mà chủ yếu từ y tế trên thế giới là 0,6 mSv/năm Vì thế, đây cũng được xem là

“con dao hai lưỡi” bởi nếu không được đầu tư trang thiết bị đủ điều kiện an toàn vàkiểm soát chặt chẽ thì đây lại là một tác hại rất nguy hiểm đối với nhân viên y tế,người bệnh và môi trường

Bảng 1 Liều lượng do chiếu xạ y học.

X-quang và chuẩn đoánX-quang và phóng xạ điều trịChuẩn đoán y học hạt nhânĐiều trị y học hạt nhân

0.600.030.002

Nguồn từ việc sử dụng các đồng vị phóng xạ để điều trị bệnh Nguồn này lạiđược chia làm 2 loại: nguồn kín và nguồn hở

 Nguồn kín: là các máy có sử dụng đồng vị phóng xạ như máy xạ trị Cobatl,máy gia tốc điện tử tuyến tính tạo chùm electron hay tia X với năng lượng 4-25MeV,dao phẫu thuật bằng tia gamma

 Nguồn hở: là các chất phóng xạ được đưa trực tiếp vào trong cơ thể quađường tiêu hóa hoặc tiêm để chẩn đoán và chữa trị bệnh (hay còn gọi là phương phápđiều trị chiếu trong) bằng cách tiêm hoặc uống Các nguồn này thường phát ra nănglượng bức xạ beta

Bảng 2 Một số đồng vị phóng xạ sử dụng trong y tế.

Mặc dù, các nguồn chiếu xạ này được dùng để chẩn đoán và điều trị bệnh chocon người song ít nhiều nó vẫn có những ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe của bệnhnhân và cả những nhân viên kĩ thuật làm việc trực tiếp với nó.

Khi chiếu một liều bức xạ nhất định lên bệnh nhân trong chuẩn đoán hay điềutrị thì ít nhiều các tia bức xạ ấy cũng ảnh hưởng đến các tế bào xung quanh vùng chiếuthậm chí một số trường hợp vùng ảnh hưởng rất lớn Các tế bào khi bị chiếu sẽ dẫnđến giảm chức năng hoặc có thể bị hoại tử ảnh hưởng đến sức khỏe của con người.Trong quá trình điều trị ở bệnh nhân có thể xuất hiện một số triệu chứng đi kèm: mệtmỏi, thay đổi trên da, ăn mất ngon, nổi ban đỏ, rụng lông tóc…

Ngoài bệnh nhân thì chính những nhân viên làm việc nhiều năm với chất phóng

xạ cũng chịu nhiều ảnh hưởng với những triệu chứng như trên, nhiều trường hợp bịmắc các bệnh ung thư…

2.2.2 Trong công nghiệp

Công nghệ kĩ thuật ngày càng phát triển cùng với đó là những ứng dụng của kỹthuật hạt nhân trong công nghiệp cũng ngày càng đa dạng và phổ biến Người ta sửdụng kỹ thuật nguồn kín để xây dựng các hệ đo và tự động hóa trong các dây truyềnsản xuất của các nhà máy công nghiệp, chẳng hạn:

- Đo mức cho các bể đựng phối liệu, đo độ ẩm và mật độ của sản phẩm giấytrong các nhà máy sản xuất giấy;

- Đo mức chất lỏng trong các bể đựng phối liệu của nhà máy sản xuất xi măng;

- Đo mức trong các hộp sản phẩm của các nhà máy sản xuất bia và nước giảikhát;

- Đo độ dày sản phẩm của các nhà máy sản xuất vật liệu sắt thép;

- Các hệ đo phóng xạ trong các giếng khoan của công nghiệp dầu khí

Bên cạnh kỹ thuật nguồn kín, kỹ thuật nguồn hở hay đồng vị phóng xạ đánh dấucũng được sử dụng phổ biến Chẳng hạn, việc tối ưu hóa quy trình và thời gian phatrộn phế liệu trong các dây chuyền của các nhà máy sản xuất xi măng, nhà máy hóachất, v.v Trong lĩnh vực khai thác dầu khí, kỹ thuật đánh dấu phóng xạ được sử dụng

để xác định mặt cắt nước bơm ép trong các giếng bơm ép, nghiên cứu hiện tượng ngậplụt trong các giếng khai thác của mỏ dầu bạch hổ Hay kĩ thuật chụp gamma sử dụng

để soi hành lý tại các sân bay

2.2.3 Trong nông nghiệp

Việc ứng dụng bức xạ và đồng vị phóng xạ được ứng dụng chủ yếu trong 6 lĩnhvực, bao gồm: chọn tạo giống cây trồng, nông hóa, thổ nhưỡng, bảo quản và chế biến(12,64) Tại Việt Nam, ứng dụng năng lượng nguyên tử trong nông nghiệp còn hạnchế, tự phát, chủ yếu áp dụng trong chọn tạo giống đột biến, chiếu xạ nông sản chokiểm dịch thực vật

2.2.4 Tro bụi phóng xạ

Được tạo ra chủ yếu do các vụ nổ hạt nhân gồm:

Các chất phân hạch không được sử dụng hoặc mới được tạo ra do tương tác vớineutron như Pu239 theo phản ứng (n, U238)

- Các sản phẩm phân hạch

- Triti trong các động cơ nhiệt lạnh

- Các sản phẩm kích hoạt tạo nên ở lớp vỏ của động cơ như: Fe56, Zn65, Mn54,

Co60, Rn102, W185

- Các sản phẩm kích hoạt tạo ra trong môi trường xung quanh, nhất là vụ nổxảy ra trong lòng đất hoặc trên mặt đất (Si21, Al28, Na24, Zn65, Fe55, Mn54) và C14 tạo nênbởi phản ứng N14(n,p)C14

Các tro bụi phóng xạ tung lên khí quyển rồi rơi từ từ xuống mặt đất dưới dạngcác hạt nhỏ Thời gian lưu lại trong khí quyển của chúng có thể kéo dài vài năm đếnvài chục năm sau, phụ thuộc vào các vụ nổ và điều kiện thời tiết Theo Hiroaki Kato

và Yuichi Onda (2014), ngay sau vụ nổ nhà máy điện ở Fukushima Daiichi (Nhật Bản)năm 2011, một lượng lớn chất phóng xạ thoát ra ngoài môi trường Thồng qua việcnghiên cứu lượng nước mưa có phóng xạ tác giả chỉ ra rằng vẫn còn khoảng 60%lượng phóng xạ 137Cs còn tồn lưu trong tán cây rừng đánh giá sau sự cố nổ nhà máyđiện hạt nhân 5 tháng Lượng phóng xạ phát tán này tác động xấu đến môi trường vàsức khỏe con người Theo báo cáo của Tổ chức Y tế thế giới (2012) về mức liềuphóng xạ sau vụ nổ ở Fukushima (Nhật Bản) thì dải liều ở vùng trung tâm vụ nổ trongnăm đầu tiên là 10 - 50 mSv, các phần còn lại của tỉnh này từ 1 - 10 mSv, cao hơnhàng chục lần so với vùng không ô nhiễm phóng xạ (bình thường từ 0,1 - 1 mSv)

3 Hiện tượng phóng xạ, bản chất của tia phóng xạ

3.1 Định nghĩa hiện tượng phóng xạ

Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, đồng thời phát ra cáctia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác được gọi là hiện tượng phóng xạ Hiệntượng phóng xạ xảy ra một cách tự phát, hình thành do nguyên nhân bên trong (do tỷ

lệ giữa proton và neutron), tức là do cấu tạo của hạt nhân gây nên, do đó, mọi tác động

từ bên ngoài như áp suất, nhiệt độ, lực… không ảnh hưởng tới quá trình phóng xạ

Hạt nhân không bền bị phân rã được gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân sau biến đổigọi là hạt nhân con

A → (α, β, γ ) + B

↓ ↓

(hạt nhân mẹ) (hạt nhân con)

Để biết được tia phóng xạ gồm những tia nào, người ta tiến hành thí nghiệmcho chùm tia phóng xạ đi vào trong điện trường của tụ điện, phát hiện trong chùm tiaphóng xạ có những loại tia phóng xạ sau:

+ Có 1 loại tia đi thẳng, không bị lệch, không mang điện tích, đó là tia γ.+ Có 1 loại tia hơi lệch về bản âm của tụ điện chứng tỏ mang điện dương,

đó là tia α.+ Có 1 loại tia lệch nhiều về bản âm của tụ điện, cũng chứng tỏ mang điệndương, đó là tia β+

+ Có 1 loại tia lệch nhiều về bản dương của tụ điện, chứng tỏ mang điện

âm, đó là tia β-

3.2 Các dạng phân rã phóng xạ thường gặp Bản chất các tia phóng xạ

Các dạng phân rã thường gặp là : phân rã beta âm, phân ra beta dương, phân rãalpha và phát xạ tia gamma từ hạt nhân

* Phân rã beta âm – negatron( β- )

Trong điều kiện nhất định, một số nguyên tố hóa học nhất định trong hạt nhân

có số neutron nhiều hơn số proton có thể xảy ra hiện tượng biến một neutron thànhmột proton đồng thời phát ra một hạt eclectron (hạt β-)

Phương trình biến đổi của phân rã β:

* Phân rã beta dương – Pozitron (β+ )

Trong hạt nhân của những đồng vị có số proton nhiều hơn số neutron có thể xảy

ra hiện tượng biến một proton thành một neutron đồng thời phát hiện ra hạt pozitron (β

+) Hạt pozitron có khối lượng đúng bằng khối lượng của điện tử, điện tích bằng điệntích của điện tử nhưng trái dấu (một điện tích nguyên tố dương), vì vậy nó được gọi làđiện tử dương (e+)

Phương trình biến đổi của phân rã β+ được viết như sau:

âm, beta dương; ngoài hạt nhân positron hoặc electron thì từ hạt nhân còn phát ra mộthạt khác, gọi là neutron (v) Hạt này không mang điện, khối lượng tĩnh bằng 0 Năm

1957, người ta đã ghi nhân được hạt notrino và giả thuyết cảu Paoli được chấp nhận.Như vậy,bản chất của các phân rã β ± là sự biến đổi tương hỗ giữa n và p theo các phảnứng sau:

p → n+ β+ + v + Q

n → p+ β- + v + Q

* Phân rã alpha (α)

Loại phân rã này chỉ xảy ra trong phạm vi các hạt nhân của những nguyên tố cókhối lượng nguyên tử lớn Trong quá trình này, từ hạt nhân phát ra hạt alpha (α) Hạt α

là hạt nhân của nguyên tử Heli được tạo thành bởi mối liên kết mạnh giữa một cặpproton và một cặp neutron Bởi vậy, sự phân rã này dẫn đến việc làm giảm khối lượng

và điện tích của hạt nhân một cách đáng kể (khối lượng giảm 4, điện tích giảm 2)

Phương trình biến đổi của phân rã α là:

ZXA→Z-2YA-4 + 2He4 +Q

Q là năng lượng phát ra thể hiện dưới dạng động năng của các hạt α Các hạt α

phát ra từ cùng một loại phân rã của cùng một loại hạt nhân có năng lượng giống nhau

Đó là đặc điểm đơn năng của chùm tia alpha

* Phát xạ tia gamma (γ ) từ hạt nhân

Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cơ bản hay

về trạng thái bị kích thích ứng với mức năng lượng thấp hơn, từ hạt nhân sẽ phát ra tiagamma (còn gọi là lượng tử gamma, hay photon gamma (-γ) Bản chất tia γ là sóngđiện từ có bước sóng cực ngắn Vì vậy, quá trình phát tia γ không làm thay đổi thànhphần cấu tạo của hạt nhân mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó

Đa số các hạt nhân mới tạo thành sau các phân rã β, α… đều ở trạng thái bị kíchthích Vì vậy, sau các phân rã này thường có phát ra tia gamma Do đó cần chú ý rằngkhi có hiện tượng phóng xạ xảy ra ở một hạt nhân, hạt nhân đó có thể bị biến đổi nhiềuhơn một lần, do đó có thể phát ra nhiều tia phóng xạ

4 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất sống

Mọi bức xạ ion hóa, dù là dạng photon hay các hạt vi mô đều mang theo nhữnggiá trị năng lượng nhất định, vì vậy khi gặp vật chất năng lượng đó sẽ được truyền cho

nguyên tử hoặc phân tử của vật chất Sự tương tác này gây ra những hệ quả về vật lý,hóa học, sinh học Trước hết ta khảo sát về phương diện vật lý.

Nhìn chung, có hai phương thức cơ bản về phương diện vật lý để chuyển giaonăng lượng từ tia qua vật chất: kích thích và ion hóa vật chất

* Kích thích là quá trình nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ một giá trị năng

lượng từ tia rồi chuyển đến một trạng thái năng lượng mới không bền vững (trạng tháikích thích) mà không kéo theo bất cứ sự tách rời (bứt) mọt hạt vi mô cấu tạo nào.Nguyên tử hoặc phân tử kích thích đó rất dễ dàng và nhanh chóng phát xạ năng lượng

đã hấp thụ được dưới dạng những photon, bức xạ nhiệt hoặc phản ứng hóa học để trở

về trạng thái ban đầu

* Ion hóa là quá trình năng lượng từ tia tới làm bật điện tử quỹ đạo của nguyên

tử hoặc phân tử thành phần của vật chất Từ đó tạo ra một cặp ion: ion âm (hoặc điệntử) và ion dương (phần còn lại của nguyên tử hoặc phân tử) Năng lượng trung bình đểtạo một cặp ion trong không khí là 30 ± 5eV, trong chất bán dẫn khoảng 3eV

4.1 Tương tác của hạt vi mô tích điện đối với vật chất

Khi chùm hạt vi mô tích điện tương tác với vật chất, bản thân hạt vi mô hoặcđiện trường của nó có thể tương tác với điện tử trên quỹ đạo hoặc với hạt nhân củanguyên tử vật chất, đó là các hạt vật chất có khối lượng và điện tích nhất định Vì vậy,lực tác dụng ở đậy là lực tĩnh điện F Giữa hai điện tích q và q’ đó sẽ xuất hiện lực hútnếu chúng trái dấu và lực đẩy nếu cùng dấu Độ lớn của F tỷ lệ nghịch với bìnhphương khoảng cách d giữa 2 điện tích:

F = k.q.q’/d2

Như vậy, xác suất tương tác phụ thuộc vào mật độ, kích thước và điện tích củahạt tới đồng thời phụ thuộc vào cả mật độ, kích thước và điện tích của các thành phầncấu tạo vật chất

4.1.1 Tương tác của bức xạ alpha (α) đối với vật chất

Khi hạt α đi qua môi trường vật chất nó sẽ tương tác với các nguyên tử của vậtchất và đánh bật điện tử ra khỏi nguyên tử Điện tử bị đánh bật ra mang điện tích âm,gọi là ion âm còn nguyên tử bị mất điện tử nên mang điện tích dương, gọi là iondương Đó là hiện tượng ion hóa vật chất Trong môi trường không khí, năng lượngcần thiết để tạo ra một cặp ion mang điện tích trái dấu là 32,5eV Một electron vôn(1eV) là năng lượng của một điện tử có được khi qua thế hiệu 1 vôn với khoảng cáchhai điện cực là 1 centimet

Nếu năng lượng của hạt α chưa đủ để đánh bật điện tử ra khỏi quỹ đạo của nóthì hạt α chỉ làm cho điện tử chuyển động từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượngcao, tức là hạt α đã gây ra hiện tượng kích thích điện tử Quá trình hạt α trực tiếp gây

ra hiện tượng ion hóa thì gọi là sự ion hóa trực tiếp, còn điện tử sau khi bị đánh bật ranếu có năng lượng cao lại gây ra sự ion hóa nguyên tử tiếp theo gọi là sự ion hóa giántiếp

4.1.2 Tương tác của hạt beta (β- ) đối với vật chất

Hạt β- cũng giống như hạt α, khi va chạm với nguyên tử vật chất sẽ gây ra hiệntượng ion hóa hoặc hiện tượng kích thích Khả năng ion hóa của hạt β- yếu hơn nhiều

so với hạt α vì hạt β- có điện tích ít hơn so với hạt α

Ví dụ: Hạt α và hạt β- có cùng một mức năng lượng là 1MeV nhưng hạt α tạo

ra được 7500 cặp ion trên 1mm đường đi còn hạt β- chỉ tạo được 53 cặp ion trên 1Cmđường đi của nó

4.1.3 Tương tác của neutron (n) đối với vật chất

Hạt neutron trung hòa về điện không có khả năng ion hóa và vì thế nó có thể xuyênqua nhiều lớp vỏ điện tử để tiến đến gần hạt nhân nguyên tử theo 3 kiểu sau đây:

- Kiểu khuếch tán đàn hồi, chủ yếu xảy ra đối với neutron trung gian có

E= 1keV→ 500 keV Trong khuếch tán đàn hồi, neutron truyền một phần nănglượng cho hạt nhân nguyên tử, sau đó neutron bị đổi hướng và năng lượng giảm dần

- Kiểu khuếch tán không đàn hồi xảy ra đối với neutron nhanh có

E= 1MeV →10MeV Sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử, làm cho hạtnhân nguyên tử bị kích thích còn bản thân neutron cũng bị đổi hướng và năng lượnggiảm dần.

- Kiểu thâu đoạt neutron xảy ra đối với neutron nhiệt có E=0,025eV Khi hạtnhân thâu đoạt neutron nó sẽ trở thành hạt nhân mới và ở trạng thái kích thích Sau đóhạt nhân bị vỡ ra (hay bị phân hạch) thành hai hạt nhân kèm theo sự phát ra hạtneutron

4.2 Tương tác của photon năng lượng cao (tia γ và tia X) đối với vật chất

Tùy theo mức năng lượng của tia mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3hiệu ứng sau:

4.2.1 Hiệu ứng quang điện

Đó là hiện tượng các điện tử

bị bứt ra khỏi lớp vỏ điện tử của

nguyên tử do tác dụng của tia γ

hoặc tia X Khi điện tử nằm trên

quỹ đạo dừng, nó có một năng

lượng liên kết ω xác định (bằng

công ion hóa) Như vậy, muốn bứt

điện tử ra khỏi quỹ đạo, tia γ (tia

X) phải có năng lượng lớn hơn ω

Trong hiệu ứng này, tia γ tương tác

với điện tử quỹ đạo và trao toàn bộ

năng lượng của nó (E = h.υ) cho

điện tử Năng lượng này một phần dùng làm công ion hóa, phần còn lại dùng làm độngnăng Eđ cho điện tử: h.υ = ω + Eđ Vì photon có năng lượng thấp nên không thể xuyênsâu mà chỉ va chạm với điện tử (e-) ở vành ngoài Photon đã truyền toàn bộ năng lượngcho điện tử và đánh bật điện tử ra khỏi quỹ đạo của nó để trở thành điện tử tự do, gọi

là quang điện tử Quang điện tử có thể đóng vai trò hạt điện tích và tiếp tục ion hoá cácnguyên phân tử khác Hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào số Z và năng lượng của

photon, xác suất hiệu ứng sphoto ~ Z5/E7/2, dễ xảy ra với các photon có năng lượng khônglớn (£ 0,1MeV).

Hiệu ứng quang điện đặc biệt có ý nghĩa đối với chất có số Z lớn, khi đó xácsuất hiệu ứng đáng kể ngay cả ở năng lượng cao Còn ở những chất có số khối bé, hiệuứng quang điện chỉ có ý nghĩa với năng lượng thấp Những nhân phóng xạ có tiagamma có năng lượng thấp không ứng dụng được trong đo lường vì chúng bị làm yếungay do hiệu ứng quang điện

4.2.2 Hiệu ứng Compton

Compton là người đầu tiên phát hiện thấy rằng photon có năng lượng trongkhoảng 0,1-2 MeV đi qua vật chất sẽ tương tác với điện tử tự do có trong đó Điện tửnày nhận toàn bộ năng lượng

hv của photon tới và giữ lấy

một phần làm động năng của

mình để dịch chuyển, phần

còn lại sẽ phát ra dưới dạng

một photon khác có tần số

nhỏ hơn (năng lượng thấp

hơn) và có một hướng truyền

làm thành một góc với hướng

truyền của photon tới Do có

năng lượng cao hơn so với

hiệu ứng quang điện nên

photon không những bị đánh

bật điện tử ra khỏi quỹ đạo của nó mà photon còn bị mất một phần năng lượng và bịlệch hướng Người ta gọi chúng là điện tử lùi và photon thứ cấp của hiệu ứngCompton Thuật ngữ “tán xạ”nói lên trạng thái photon khi va chạm với vật chất bịchuyển hướng Tán xạ compton xảy ra khi photon tương tác với một điện tử ở lớpngoài của nguyên tử Photon sẽ truyền cho điện tử năng lượng đủ để điện tử bật ra khỏinguyên tử, còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng với một góc q nhấtđịnh

4.2.3 Hiệu ứng tạo cặp electron (e - ) và pozitron (e + ).

Những photon có năng

lượng lớn và lớn hơn 1.02 MeV có

thể gây ra hiệu ứng tạo cặp: khi

những photon đến gần hạt nhân có

số Z lớn, chúng tương tác với

trường hạt nhân và biến mất, đồng

thời xuất hiện một cặp electron (e-)

và pozitron (e+) Như vậy, năng

lượng của photon đã chuyển hóa

thành 2 hạt e+ và e- cùng động năng

của chúng Chứng tỏ, các electron

(e-) và pozitron (e+) được tạo ra

trong hiệu ứng này có động năng Chính chúng sẽ tương tác với vật chất và gây quátrình ion hóa tiếp tục, do đó sẽ giảm dần động năng rồi chuyển về dạng chuyển độngnhiệt

5 Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể

Đã từ lâu con người biết đến tác dụng của bức xạ ion lên các tổ chức sinh học

và hậu quả của nó Những hiểu biết sâu sắc về cơ chế tác dụng, các yếu tố ảnh hưởngđến hậu quả tác dụng đó làm cho con người có thể lợi dụng hoặc ngăn ngừa, hạn chếtác dụng sinh học do bức xạ ion hóa Quá trình truyền năng lượng bức xạ lên tổ chứcsinh học và gây tác dụng ở đó rất phức tạp Hiện nay người ta vẫn cho rằngcó hai cơchế tác dụng của bức xạ ion hóa lên tổ chức sinh học