Tài liệu này là kết quả tìm hiểu của nhóm Sinh viên đại học Y Dược huế về chủ đề bức xạ ion hóa. Hi vọng tài liệu này có thể giúp các bạn có thêm tài liệu để tham khảo. Phục vụ cho môn học Lý sinh tại các trường đại học. Trong tài liệu này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Mong các bạn bổ sung thêm
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC HUẾ LỚP: Y ĐK & YHDP 4.1
Lê Thị Bích Đầm Phạm Xuân Mạnh Hùng Phạm Thế Duyệt
Phan Trọng Nghĩa
Lê Duy Vĩnh
Huế, ngày 20 tháng 4 năm 2017
Trang 2Mục lục :
I Phần mở đầu
II Nội dung 3
1.Hiện tượng phóng xạ, bản chất và nguồn gốc tia phóng xạ 3
2 Tương tác của bức xạ ion hóa 4
2.1 Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt với vật chất 4
2.2 Tương tác của tia Roentgen và tia y đối với vật chất 7
2.3 Độ nhạy cảm của tia phóng xạ đối với sinh vật 9
3 Tác dụng sinh học của bức xạ 11
3.1 Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống 11
3.2 Tác dụng hóa học của tia phóng xạ 12
3.3 Các hiệu ứng sinh học liên quan tới sự chiếu xạ 12
3.4 Các thuyết giải thích cơ chế tổn thương do tác dụng của phóng xạ 13
4 Tổn thương của bức xạ lên cơ thể sống 15
4.1 Tác dụng của tia phóng xạ lên phân tử sinh học 15
4.2 Tác dụng của tia phóng xạ lên quá trình phân bào 16
4.3 Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống 17
5 Những nguyên tắc an toàn phóng xạ 17
III Kết luận 19
IV Tài liệu tham khảo 21
Trang 3I PHẦN MỞ ĐẦU
Đã từ lâu, con người đã biết tới bực xạ của ion hóa lên các tổ chức sinh học vànhững hậu quả của nó Những hiểu biết sâu sắc về cơ chế tác dụng, các yếu tố ảnhhướng đến hậu quả tác dụng đó làm cho con người có thể lợi dụng hoặc ngăn ngừa hạnchế tác dụng sinh học do bức xa ion hóa
Chúng ta đã biết chất phóng xạ là 1 bộ phận không thể tách rời của Trái đấtchúng ta, nó đã tồn tại cùng Trái đất Các chất phóng xạ tồn tại trong tự nhiên, có trênmặt đất, có trong không khí và thực phẩm Chất phóng xạ tồn tại ở dạng khí, trongkhông khí khi chúng ta hít thở Cả trong cơ thể của chúng ta bao gồm : Cơ, xương vàcác mô đều chứa các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên
Con người vẫn thường phải chịu sự chiếu xạ của các bức xạ tự nhiên của TráiĐất cũng như từ bên ngoài Trái Đất Bức xạ này chúng ta nhận được từ bên ngoài TráiĐất gọi là tia vũ trụ gọi là các tia vũ trụ hay bức xạ vũ trụ Chúng ta cũng bị chiếu bởicác bức xạ nhân tạo như tia Roentgen, tia y, hạt anpha, proton, notron, dòng điện từ…
Các bức xạ được sử dụng để chẩn đoán bệnh và điều trị ung thư Tuy nhiên việc
sử dụng các tia bức xạ cũng phải tuân thủ an toàn nghiêm ngặn
Với mong muốn hiểu rõ thêm về nguồn gốc, tương tác của bức xạ ion, tác dụngsinh học và những nguyên tác an toàn trong việc sử dụng tia phóng xạ Nhóm chúngtôi đã tìm hiểu và hoàn thiện bài báo cáo để cùng đưa ra cái nhìn chung nhất về hiệntượng vật lý trên
Trang 4II NỘI DUNG
1 Hiện tượng phóng xạ, bản chất và nguồn gốc tia phóng xạ
1.1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử ( Ivanenko + Heisenberg )
- Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các proton ( p ) ( mang điện tích nguyên tốdương ), và các notrơn ( n ) ( trung hòa điện ), gọi chung la nucleon
Proton ( p ), mang điện tích dương = 1,6.10-19 C
Notron ( n ), không mang điện
Khối lượng 1,6.10-27 kg = 931MeV
Proton + Notron = Nucleon
Nucleon được ký hiệu: A Số Notron = N
Những công trình của Mari Curi và Pie Curi, đã chứng tỏ rằng chum tia đó phát ra
từ hạt nhân chứ không phải từ lớp vỏ nguyên tử và đó là tính chất chung của một nhómcác nguyên tố chứ không riêng gì uran, người ta gọi tính chất đó của các nguyên tố làtính phóng xạ
Trang 5Hiện tượng phóng xạ: là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự biến đổi dể trở thành hạtnhân nguyên tử của nguyên tố khác hoặc từ một trạng thái năng lượng cao về mộttrạng thái năng lượng thấp hơn trong quá trình biến đổi đó hạt nhân phát ra những tiakhông nhìn thấy có năng lượng cao gọi là tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân Nguyên tốnày gọi là đồng vị phóng xạ.
1.3 Phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo
Phóng xạ tự nhiên: là nguồn phóng xạ tự động xảy ra trong tự nhiên vd như quặnUranium thiên nhiên
Phóng xạ nhân tạo: là do con người làm cho một nguyên tử không phóng xạ trở thànhmột chất phóng xạ
Vd: 2H4 + 13Al27 → P1530 + n01
n0 + N714 → C614 + H1 (C614 có T= 5730 năm)
Tia phóng xạ được chia thành hai loại :
- Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (y <10A)gồm tia rongen (hay còn gọi là tia X) và tia gama (y)
- Tia phóng xạ có bản chất là hạt như hạt (α), proton (p), notron (n), dòng điện(e-), dòng pozitron (e+)…
2 Tương tác của bức xạ ion hóa
2.1 Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt với vật chất
2.2.1 Tương tác của electron với vật chất
Điện tử (electron) được sinh ra từ nhiều nguồn: phân rã beta, điện tử nội biến hoán, tán
xạ compton, hấp thu quang điện, tạo cặp Các điện tử khi chuyển động trong vật chất
có thể bị đẩy bởi các điện tử cùng dấu ở vòng ngoài các nguyên tử, có thể bị hút bởiproton
- Tương tác electron - electron
Điện tử đi trong môi trường sẽ va chạm và truyền cho nhau năng lượng, thay đổihướng Khó xác định được đâu là hướng đi của điện tử ban đầu, đâu là hướng đi củađiện tử trong môi trường mới di chuyển sau khi tiếp xúc và truyền năng lượng chonhau Sau khoảng 1000 lần va chạm điện tử sẽ hết động năng, quãng đường đi củađiện tử trong vật chất có hướng gấp khúc chữ chi và ngắn
Trang 6Các điện tử ở vòng ngoài của nguyên tử khi nhận được năng lượng của điện tử đi tới
có thể bật hẳn ra tạo thành cặp ion, có thể bị chuyển lên trạng thái kích thích Nhữngđiện tử bị bật ra, có đủ năng lượng để tiếp tục ion hoá nguyên tử khác được gọi là cácbức xạ delta (delta ray)
Người ta có thể tính được đoạn đường đi trung bình của các điện tử đó trong vật chất,phạm vi (Range - R) mà các điện tử đó không thể vượt qua trong một vật chất nhấtđịnh và với năng lượng nhất định:
Phạm vi = chiều dày của vật liệu đủ để dừng tất cả các điện tử.
Vì đường đi của điện tử không phải là một đường thẳng nên tính trung bình đoạnđường đi có thể gấp 2 lần phạm vi Phạm vi tỷ lệ thuận với năng lượng điện tử và tỷ lệnghịch với tỷ trọng của vật liệu
Như vậy có thể nhận thấy các điện tử từ các nhân dùng trong YHHN sẽ không vượtqua được cơ thể người bệnh và không ảnh hưởng gì đến việc ghi hình các phủ tạng.Đồng thời cũng có thể nhận thấy việc che chắn các điện tử này bằng vật liệu sẽ đơngiản hơn nhiều so với che chắn photon
- Tương tác electron - proton: Như trong phần trên đã nêu, các bức xạ điện tử
và các photon phát sinh khi tăng tốc các hạt tích điện Trường hợp một chùm điện tử đivào vật chất, một số đi vào gần nhân, dưới tác động của lực hút của các proton trongnhân làm cho điện tử tăng tốc và kết quả là tạo nên một luồng bức xạ, gọi là bức xạhãm (bremsstrahlung)
Với những vật liệu có số Z thấp như các mô của cơ thể thì bức xạ hãm ít khixảy ra Ngược lại, với bóng X quang, chùm điện tử bị tăng tốc mạnh vào bia là sợitungsten nên sẽ phát ra bức xạ hãm, đó là tia X vẫn thường dùng trong chẩn đoán
- Tán xạ đàn hồi của các điện tử: Có những điện tử bị hút bởi proton trong
nhân chỉ đổi hướng mà không tham gia vào tạo bức xạ hãm, không mất năng lượng.Trong tán xạ đàn hồi, sau khi va chạm với nhân điện tử không mất năng lượng, khôngtạo bức xạ và cũng không kích thích nhân hoặc điện tử quỹ đạo Hiện tượng nàythường hay gặp và được gọi là tán xạ đàn hồi
- Truyền năng lượng tuyến tính: Trên đường đi, năng lượng của các điện tử
truyền được nhiều thì liều hấp thu bức xạ của cơ thể sẽ cao Để đánh giá mức độtruyền năng lượng người ta dùng khái niệm truyền năng lượng tuyến tính (LinearEnergy Transfer - LET), tức là truyền năng lượng trên một đơn vị khoảng cách LET =DE/Dx
Đơn vị của LET là J/m hoặc keV/mm Giá trị của LET cũng nói lên khả năng ion hoá.Năng lượng của điện tử càng cao thì LET càng nhỏ, ngược lại năng lượng thấp thìLET lại cao Nguyên nhân: năng lượng lớn thì điện tử sẽ đi nhanh và đoạn đường sẽdài, vì vậy trên một đơn vị khoảng cách sự truyền năng lượng sẽ thấp, ngược lại nănglượng thấp thì điện tử di chuyển trong vật chất chậm hơn, nhiều thời gian va chạm đểtruyền năng lượng hơn
2.2.2Tương tác của các hạt nặng với vật chất
Các hạt nặng mang điện tích là các proton, deuteron và hạt alpha Hạt alphagồm hai hạt proton và hai neutron, trọng khối bằng 4 và điện tích bằng +2, nặng hơnelectron khoảng 7000 lần Khi đi vào vật chất hạt alpha chủ yếu tương tác với các điện
tử ở lớp vỏ của nguyên tử Vì mang điện tích dương nên alpha có thể hút điện tử vào
và vì có khối lượng lớn lại có động năng nên có thể đẩy điện tử ra khỏi nguyên tử.Trên một đoạn đường đi ngắn có thể có hàng vạn cuộc trao đổi điện tử xảy ra, vì vậy
Trang 7LET của alpha rất cao Là một hạt lớn, có điện tích dương nên va chạm rất nhiều,truyền năng lượng lớn và đường đi thẳng không bị chệch hướng Quãng đường đikhông dài hơn phạm vi Số cặp ion tạo ra trên đường đi tăng dần khi vận tốc của hạtgiảm, lớn nhất ở cuối đường đi (hiệu ứng Bragg) Phạm vi của hạt alpha trong khôngkhí được tính đơn giản theo công thức:
R = 0,318 E3/2 ( với E = 5,3MeV thì phạm vi R=3,85cm)
2.2 Tương tác của tia X và tia gama đối với vật chất
Tùy theo mức năng lượng mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3 hiệu ứngsau :
- Hiệu ứng quang điện : Photon tương tác với điện tử quỹ đạo lớp trong (K
hoặc L), truyền toàn bộ năng lượng (hn) làm cho điện tử bị bắn ra khỏi nguyên tử (gọi
là quang điện tử) với động năng Ed: Eg = hn = Eq - Ed (Eq là công thoát; Ed là độngnăng) Chỗ trống trên lớp điện tử được lấp đầy bởi các điện tử ở lớp quỹ đạo có nănglượng cao hơn Quá trình này kèm theo bức xạ tia X đặc trưng hoặc phát điện tửAuger
Quang điện tử có thể đóng vai trò hạt điện
tích và tiếp tục ion hoá các nguyên 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 không lớn (£
0,1MeV) Hiệu ứng quang điện được lưu ý
để thiết kế các thiết bị ghi đo trong YHHN
Hiệu ứng quang điện đặc biệt có ý nghĩa
đối với chất có số Z lớn, khi đó xác suất
hiệu ứng đáng kể ngay cả ở năng lượng cao Còn ở những chất có số khối bé, hiệu ứng
Trang 8quang điện chỉ có ý nghĩa với năng lượng thấp Những nhân phóng xạ có tia gamma cónăng lượng thấp không ứng dụng được trong đo lường vì chúng bị làm yếu ngay dohiệu ứng quang điện.
Hấp thu quang điện là hiện tượng rất thuận lợi cho việc ghi hình YHHN, vì có thểchặn các photon đó để tạo ra dòng điện tử một cách dễ dàng Tinh thể NaI, cáccollimator chì đều làm dừng các photon, các điện tử bật ra được thu nhận và khuếchđại trong hệ thống ghi hình của máy SPECT
- Hiệu ứng compoton :Thuật ngữ “tán xạ”nói lên trạng thái photon khi va
chạm với vật chất bị chuyển hướng Tán xạ compton xảy ra khi photon tương tác vớimột điện tử ở lớp ngoài của nguyên tử Photon sẽ truyền cho điện tử năng lượng đủ đểđiện tử bật ra khỏi nguyên tử, còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng
với một góc q nhất định
Năng lượng photon tán xạ vàelectron thứ cấp được tính theo côngthức:
Eg2 = Eg1/[1 + (1- cosq) Eg1/511](keV) ; Ee = Eg1 - Eg2
Tán xạ compton gây nhiều bất lợicho chẩn đoán YHHN vì những tán
xạ đó làm nhiễu, khó định vị nơixuất phát, đồng thời làm mờ hìnhảnh ghi được Người ta có thể khốngchế tán xạ compton bằng cách giớihạn trong một khung cửa sổ nhất định, không cho các bức xạ yếu lọt qua, tuy nhiêncũng không thể loại trừ được hoàn toàn
- Hiệu ứng tạo cặp electron (e - ) và poziton(e + ) :
Khi photon đi vào vùng điện trường của nhân nguyên tử, sẽ chuyển từ dạng sóng sangdạng hạt và hạt được tạo thành là: electron, positron, có động năng: E(e+p) = hn -2m0C2
Trang 9Positron gặp một electron trong môi trường sẽ xảy ra hủy cặp, tạo thành 2 photon, mỗiphoton có năng lượng E = m0C2 = 511keV Theo định luật bảo toàn năng lượng, muốntạo được cặp photon 511keV, photon ban đầu phải có năng lượng >1022 keV Nhữnghạt nhân dùng để ghi hình trong YHHN đều có năng lượng nhỏ hơn 1022keV nênkhông xảy ra hiện tượng này.
Trang 10Tương tác xảy ra theo hiệu ứng quang điện, compton hay hiệu ứng tạo cặp phụ thuộcvào nguyên tử số Z của chất hấp thụ và năng lượng của tia gamma và tia X (hình 1.9).Chẳng hạn với tia gamma năng lượng 0,01MeV khi đi vào mô mềm và nước thì 95%xảy ra theo hiệu ứng quang điện, 5% theo hiệu ứng compton; năng lượng là 0,15 MeVxảy ra hầu như theo hiệu ứng compton; năng lượng 100 MeV thì 84% theo hiệu ứngtạo cặp, 16% theo hiệu ứng compton.
2.3 Độ nhạy cảm của phóng xạ đối với sinh vật
Độ nhạy cảm của sinh vật trên trái đất với mức độ tiến hóa khác nhau thì rấtkhác nhau Nhìn chung ở những loài tiến hóa càng cao, sự biệt hóa càng phức tạp thì
độ nhạy cảm phóng xạ càng cao
Để đánh giá độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật, các nhà sinh học phóng xạ đưavào khái niệm liều bán tử vong (Lethally Dose) ký hiệu là LD50/30 là liều gây chết50% động vật thí nghiệm trong 30 ngày theo dõi kể từ sau khi bị chiếu xạ
Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật thể hiện : Loài nào có LD50/30 càng nhỏthì độ nhạy cảm phóng xạ càng cao, ngược lại loài nào có LD50/30 càng lớn thì độnhạy cảm phóng xạ càng thấp
Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật, xếp theo thứ tự từ caođến thấp :
Trang 1111 Côn trùng 104R – 106R
Trong cùng một cơ thể, các tế bào và mô cũng có độ nhạy cảm phóng xạ khácnhau Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào và mô xếp theo thứ tự từ cao đếnthấp: 1 Bạch cầu lympho ; 2 Hồng cầu non và bạch cầu hạt ; 3 Tủy bào ; 4 Tế bào
mô tinh hoàn, mô ruột non, tế bào trứng, tế bào của các tuyến, tế bào phế nang, tế bàoống dẫn mật ; 5 Tế bào mô liên kết ; 6 Tế bào thận ; 7 Tế bào xương ; 8 Tế bào thầnkinh ; 9 Tế bào não ; 10 Tế bào cơ [3]
3 Tác dụng sinh học của bức xạ
3.1 Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống
Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống lần lượt phải trải qua 2 giai đoạn sau :
- Giai đoạn hóa lý :Giai đoạn này có thời gian tồn tại rất ngắn, từ 10-16đến 10
-6giây Trong giai đoạn này các phân tử sinh học chịu sự tác dụng trực tiếp hoặc tácdụng gián tiếp của tia phóng xạ Thuyết tác dụng trực tiếp cho rằng đối tượng bị chiếuxạ(có thể là cơ thể, mô hay cơ quan, tế bào, phân tử nghiên cứu) sẽ trực tiếp hấp thụnăng lượng của tia và dẫn đến tổn thương hoặc tử vong Thuyết tác dụng gián tiếp lạicho rằng đối tượng bị chiếu xạ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà chúngtương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước nên dẫn đến tổnthương hoặc tử vong Đối với những thí nghiệm invitro thì quan niệm trên dễ phân biệtcòn với thí nghiệm invivo, các nhà nghiên cứu lại qui ước: Khi bị chiếu xạ nếu là tácdụng trực tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và bị tổnthương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng Nếu là tác dụng gián tiếp thì cácphân tử hữu cơ sẽ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà tương tác với các sảnphẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổnthương chức năng Trong giai đoạn hóa lý một sốphân tử sinh học quan trọng nhưenzyme, nucleoprotein đã bị tổn thương, người ta gọi đó là những tổn thương hóa sinh
-Giai đoạn sinh học: Giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến hàng chụcnăm sau khi bị chiếu xạ Trong giai đoạn sinh học những tổn thương hóa sinh khônghồi phục được sẽ kéo theo những tổn thương chuyển hóa, dẫn đến những tổn thươnghình thái và chức năng Có thể tóm tắt cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên
cơ thể sống theo sơ đồ sau:
Trang 123.2 Tác dụng hóa học của tia phóng xạ
Trong cơ thể sống, nước vừa là môi trường vừa tham gia vào thành phần cấutrúc của tế bào Ở người, nước chiếm trung bình 65%, cá biệt có mô nước chiếm 85%
Do vậy, khi chiếu tia phóng xạ lên cơ thể
sống sẽ gây ra hiện tượng ion hóa các phân tử nước:
H2O+hγ→H2O++ e-Các ion
H2O + e-→H2O-H2O+→H++ Oho gốc tự do
H2O-→OH-+ HoH2O+ hγ→H2O++ e-→H2O*→Ho+OHo Gốc tự do Ho có thời giansống ngắn từ 10-6→10-5giây Trong thời gian này nó có thể tham gia vào các phản ứng:Ho+ Ho→H2Ho+ OHo→H2O Khi có oxy hòa tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng: Ho+ O2→o2HO+ →Ho2HOo2HO2O2Ho+ →Ho2HO2O2(hidro peroxit) Hidroperoxit là một độc tố
đối với tế bào Gốc tựdo Oho tham gia vào các phản ứng
- Phản ứng oxy hóa: Fe+++ OHo→Fe++++ OH
Phản ứng tách nguyên tử hidro ra khỏi phân tử hữu cơ: CH3- CH2OH +OHo→CH3- CHOH + H2O
- Phá vỡ liên kết đôi: CH2= CH + OHo→OH - CH2- CH OOCN CN Như vậy,dưới tác dụng của tia phóng xạ đã xảy ra quá trình phân ly phóng xạ nước dẫn tới hìnhthành nên các trung tâm hoạt động là những gốc tự do, chúng có khả năng tham giavào các phản ứng rất cao Ngoài ra, trong điều kiện có oxy sẽ dẫn tới hình thành nênH2O2 là một độc tố đối với tế bào
3.3 Các hiệu ứng sinh học liên quan tới sự chiếu xạ
- Hiệu ứng tích lũy :Tác dụng tích luỹ thể hiện ở chỗ, khi chiếu kế tiếp nhau
liều nhỏ thì tổn thương lần chiếu sau lớn hơn lần chiếu trước và tổn thương cuối cùngcũng gần giống tổn thương nếu chiếu liều bằng tổng các phân liều đã chiếu
- Hiệu ứng nghịch lý năng lượng :Tia phóng xạ có khả năng gây nên những
hiệu ứng sinh học rất lớn trong khi năng lượng tổ chức hấp thu nhỏ Chẳng hạn đối vớiđộng vật có vú với liều 10Gy(Gray) tương ứng 0,002cal/g tổ chức đã có thể gây tửvong
- Hiệu ứng pha loãng : Hiệu ứng pha loãng Khi chiếu xạ liều lượng xác định
lên dung dịch enzyme nó thể hiện: Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế trực tiếp với