Download Bài tập vật lý hạt nhân

+ Bằng cách khảo sát các đặc trưng của các tia phóng xạ này (loại bức xạ, năng lượng, chu kỳ bán rã) và so sánh chúng với các giá trị cho trong các bảng các hạt nhân phóng xạ, ta có thể [r]

CHƯƠNG

M T S NG D NG C A V T LÝ PHÓNG X Ộ Ố Ứ Ụ Ủ Ậ Ạ TRONG NÔNG NGHI P, Y H C VÀ SINH H CỆ Ọ Ọ 6.1.TẾ BÀO VÀ SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO

Các phận nhỏ cấu tạo nên vật thể sinh học gọi tế bào (cell) Các tế bào với chức tập hợp với tạo thành mô (tissue), chẳng hạn mô bắp Các mô khác tập hợp thành quan (organ) Chẳng hạn tim quan hợp lại với tạo nên hệ thống thể (body systems)

6.1.1 Cấu trúc tế bào: Tế bào có ba phần màng tế bào (cell membrance), nhân tế bào (nucleus) tế bào chất (cytoplasm) Trừ tế bào hồng cầu khơng có nhân tế bào

- Khả biến dị di truyền: Trên phân tử DNA xảy nhiều biến đổi biến đổi di truyền theo cách nhân đơi phân tử nói

- Khả sửa sai: Do DNA có cấu trúc hai sợi dây xoắn kép nên sai hỏng sợi dây có thể bị cắt bỏ dựa vào sợi dây nguyên vẹn làm khuôn để sợi dây tổng hợp lại cho

6.1.2 Sự phân chia tế bào

+ Một tính chất quan trọng tế bào khả phân chia hình thành xác để tạo nên tế bào

+ Chu trình phân bào phân bào gọi chu trình tế bào (cell cycle) Nó bao gồm giai đoạn: giai đoạn phân bào M (Mitosis), pha G1 kéo dài từ sau tế bào chia cắt đến bắt đầu chép vật chất di truyền, pha S (Synthesis) thời kỳ tổng hợp DNA pha G2 giai đoạn nối tiếp sau S đến bắt đầu phân bào Trong giai đoạn G1, S G2 tế bào không phân chia gọi chung pha trung gian (interphase)

+ Khi xạ chiếu vào tế bào giai đoạn chu trình tế bào tế bào bị tổn thương Tuy nhiên giai đoạn M tế bào nhạy cảm nhất, tức dễ bị tổn thương nhất, giai đoạn S nhạy cảm xạ Một tác động xạ kéo dài chu trình tế bào, tức làm chậm trình phân bào, hay gọi ức chế phân bào

6.1.3 Sự tổn thương tế bào việc sửa chửa

+ Sự tổn thương tế bào xạ, chủ yếu hiệu ứng DNA gồm hiệu ứng sau:

- Tế bào chết

- Chất liệu di truyền tế bào thay đổi thay đổi dược truyền qua tế bào - Sự thay đổi có thê xảy tế bào tế bào dẫn tới phân chia dị thường

+ Các tế bào có chế sửa chữa hữu hiệu hồi phục khỏi tổn thương tác nhân bên gây ra, kể tác nhân xạ Nếu tốc độ tổn thương tế bào chậm khả hồi phục cao Việc chiếu xạ với liều nhận thời gian dài, hàng tháng hay hàng năm, gọi chiếu xạ truờng diễn ( chronic exposure) khả sửa chữa tế bào cao Đối với chiếu xạ câp ( acute exposure), nghĩa liều lớn nhận vài ngắn hơn, khã sửa chữa tế bào thấp

+ Sự chết tế bào đuợc chia thành hai loại chết sinh sảnvà chết pha trung gian

+ Mức độ chết tế bào phụ thuộc vào liều chiếu, vào độ nhạy cảm bẩm sinh loại tế bào điều kiện môi trường bị chiếu xạ Mối tương quan liều chiếu mức dộ chết tế bào hàm mũ, mô theo lý thuyết bia

6.1.4 Phân loại độ nhạy cảm xạ tế bào: Các tế bào có hình dạng kích thước khác với đường kính trung bình khoảng 10m Chúng chia loại sau

+ Theo chức năng, tế bào chia thành loại : - Tế bào sinh dưỡng

- Tế bào sinh sản

+ Theo khả phân bào, tế bào chia làm hai loại: - Tế bào biệt hóa

- Tê bào chưa biệt hóa có

chết tế bào sau chiếu xạ Độ nhạy cảm cao mô tạo máu tủy xương, mô sinh dục

6.2.TÁC ĐỘNG CỦA TIA BỨC XẠ Ở MỨC PHÂN TỬ

6.2.1.Tác động tia xạ kích thích ion hóa nguyên tử phân tử vật chất

+ Các xạ ion hóa tia X tia gamma, hạt alpha, beta neutron tương tác với vật chất qua môi trường Các chế trình bày chương 2, chủ yếu gồm hai hiệu ứng kích thích ion hóa phân tử vật chất

+ Kích thích q trình mà nguyên tử phân tử hấp thụ lượng từ tia xạ chuyển lên trạng thái lượng cao hơn, khơng bền vững gọi trạng thái kích thích

+ Ion hóa q trình làm bật electron quỹ đạo nguyên tử phân tử hấp thụ lượng từ tia xạ

+ Để biểu diễn độ lớn khã ion hóa, người ta dùng khái niệm độ truyền lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer)

+ Đối với tia X tia gamma trình tuơng tác khơng gây ion hóa trực tiếp Sự kích thích ion hóa ngun tử hay phân tử làm thay đổi tính chất hóa học hay sinh học phân tử sinh học, hay nói khác đi, làm tổn thương phân tử sinh học Tổn thương gây xạ hệ tổn thương Hậu tổn thương làm phát sinh triệu chứng lâm sàng, có thê dẫn đến tử vong Diễn biến tổn thương xạ ln với q trình hồi phục tổn thương

6.2.2 Tác dụng trực tiếp xạ

+ Để giải thích tác dụng trực tiếp, người ta thường sử dụng lý thuyết bia, phân tử quan trọng tế bào coi bia mà tia xạ bắn phá vào

+ Hiện người ta thừa nhận phân tử quan trong tế bào động thực vật phân tử DNA, nhân tố q trình phân chia tế bào kho chứa tất thông tin di truyền Phân tử DNA dây xoắn kép tia xạ tác động vào một, hai dây, làm tổn thương chúng Nếu tổn thương xạ xảy dây DNA chế sửa chửa tê bào sửa chửa hồi phục phần hỏng dây Có thể có hai khã năng: sửa chửa hồn thiện, khơng thể triệu chứng tổn thương, sửa chữa khơng hồn thiện, tính chất di truyền khâu dây DNA bị thay đổi Nếu xạ làm hỏng hai dây DNA thi khã sửa chữa chổ hỏng thấp phân tử DNA khơng cịn sợi dây làm khn sửa chữa sợi dây hỏng Dạng tổn thương xếp hạng từ mức chết đến mức chết (lethal) phụ thc vào vị trí chuổi di truyền bị tác động

6.2.3 Tác dụng gián tiếp xạ

+ Trong tế bào có khoảng 1,2.107 phân tử nước phân tử DNA Vì tia xạ vào tương tác với phân tử nước nhiều với phân tử DNA Dưới tác dụng xạ, phân tử nước bị ion hóa electron giải phóng theo phương trình sau

H2O  H2O+ + e

-+ Electron kết hợp với phân tử nước gần để tạo nên phân tử nước mang điện tích âm H2O + e

-H2O-

+ Do tế bào xuất phân tử nước tích điện dương phân tử nước tích điện âm Hai phân tử nhanh chóng phân tách thành ion góc tự :

H2O+  H+ + OH H2O-  H + OH

OH + OH  H2O2

+ Hydrogen peroxide H2O2 tác nhân oxi hóa mạnh nên làm tổn thương phân tử hữu mạnh tác dụng trực tiếp xạ

6.3 PHƯƠNG PHÁP CHI U B C X ION HÓA Ế Ứ Ạ

+ Một khả hủy hoại tế bào sống, gây biến dị Tương ứng, người ta dùng tia phóng xạ để diệt tế bào ung thư hay sinh vật có hại Hai độ nhạy cao máy đo hạt nhân Nhờ ta phát đo lượng chất phóng xạ vật chất bé Tương ứng, phương pháp hạt nhân cho phép ghi nhận hình ảnh thể, theo dõi vận chuyển chất thể hay đo đạc chất vi lượng (các phương pháp chụp ảnh phóng xạ, đánh dấu đồng vị, phân tích kích hoạt)

+ Phương pháp chiếu xạ ion hóa có hai hướng ứng dụng chính: 1) gây đột biến, tạo giống mong muốn

2) tiêu diệt tế bào, vi sinh vật trùng có hại 6.3.1 Gây đột biến, tạo giống

+ Trong phát triển tự nhiên sinh vật, hệ sau ln mang đặc tính hệ trước (sự di truyền), đồng thời có đặc tính khác với hệ trước (sự biến dị hay đột biến tự nhiên) Những đặc tính hệ sau định nhiễm sắc thể tế bào hệ trước Khi chiếu xạ, xạ ion hóa gây nên thay đổi nhiễm sắc thể này, làm tăng khả gây nên đột biến

+ Việc chiếu xạ giúp người tạo nên giống có ưu điểm như: suất cao, chất lượng dinh dưỡng tốt, chịu hạn giỏi, đề kháng tốt với sâu bệnh, dễ thu hoạch v.v , hàng loạt thuộc tính mà người mong muốn

6.3.1.1 Cơ chế gây đột biến:Chiếu xạ ion hóa lên dung dịch axit nhân gây nên thay đổi đa dạng phân tử Các bazơ đường nơi chịu tác dụng gốc tự do.Các tác nhân gây đột biến lên phân tử AND theo chế sau đây:

a Đánh lên phân tử AND nghỉ thời kỳ nhân đôi

+ Làm biến đổi bazơ AND giữ nguyên cấu trúc chúng

+ Khơng làm biến đổi mà cịn tác dụng đẩy bazơ khỏi khung ribozaphotphat AND làm đứt chuổi polynucleotit

b Đánh lên phân tử AND nhân đôi + Các chất tương tự bazơ AND

+ Dao động chổ chuyển động nhiệt nguyên tử bazơ AND tạo nên điều kiện sinh lý

c Đánh lên hệ thống tổng hợp sửa chửa AND

+ Thay đổi phản ứng sinh tổng hợp bazơ AND: urêtan merkeptomin, etoxicofein, azaxêrin…

+ Biến đổi AND polymeraza

d Các nhân tố tác dụng phối hợp: Các tác nhân ức chế hệ thống sửa chửa AND làm tần số đột biến tự nhiên Bức xạ ion hóa có tác dụng phối hợp: tổng cộng tác dụng nhóm a nhóm c, có khã tạo mảnh đứt AND, vài loại xạ làm xếp lại thể nhiễm sắc

6.3.1.2 Các đ c m chung:ặ ể

+ Bức xạ ion hóa có khả gây nên đột biến cho sinh vật

+ Để có xảy đột biến, tia xạ cần phải chiếu trực tiếp vào tế bào mang chức di truyền

+ Đột biến xảy với liều lượng xạ bé (không xác định ngưỡng dưới) + Liều hấp thụ cần thiết để gây số lượng đột biến nhân tạo số lượng đột biến ngẫu nhiên

được gọi liều gấp đôi

+ Đột biến tự nhiên đột biến gây xạ ion hóa có tính chất giống

+ Trong kỹ thuật chiếu xạ ion hóa tương đối đơn giản việc tiến hành nghiên cứu gây nên biến dị có lợi q trình phức tạp cơng phu, đòi hỏi thời gian phải thực hàng loạt thí nghiệm nhiều mẫu đồng thời

+ Kinh nghiệm thực tiễn cho thấy dù có nhiều nỗ lực việc chiếu xạ, tần số gây biến dị cịn thấp, biến dị có lợi đa số không di truyền đến đời sau

6.3.2 Diệt trùng có hại: có phương pháp: dùng côn trùng để diệt côn trùng diệt trực tiếp

6.3.2.1 Dùng côn trùng để diệt côn trùng: ứng dụng khã gây biến dị tia ion hóa lên trùng để tạo nên giống có tính chất sinh học bất lợi cho lồi trùng tung vào mơi trường, cho lai tạo tự nhiên

6.3.2.2 Diệt trực tiếp: người ta chiếu tia ion hóa lên chúng để làm ức chế trình sinh sản, tăng trưởng hay gây tử vong Để chiếu côn trùng người ta thường dùng tia X hay tia , số trường hợp dùng tia  Đối với tăng trưởng trùng, người ta thấy xạ liều thấp có ảnh hưởng, liều vừa phải có tác dụng kích thích liều cao có tác dụng ức chế

6.3.3 Kh trùng (sterilisation) trùng (pasteurisation) b ng b c x ion hóa ử ằ ứ ạ

+ Việc khử trùng xử lý nhiệt phương pháp truyền thống dùng rộng rãi Nhưng thực phẩm thuốc men, việc xử lý nhiệt làm hỏng phần hợp chất vitamin hay axit amin, làm thay đổi màu sắc, mùi vị sản phẩm Nếu dùng xạ để diệt khuẩn, không làm thay đổi nhiều tính chất thực phẩm, cần liều lượng bé đủ để diệt lượng lớn vi sinh vật

+ Bức xạ ion hóa dùng để khử trùng trùng vi sinh vật có thực phẩm, thuốc dụng cụ phẫu thuật

+ Việc trùng xạ ion hóa có ưu điểm nhanh, gọn không làm thay đổi mùi vị thực phẩm xử lý nhiệt Một ưu điểm khác sản phẩm phải bảo đảm tuyệt đối vô trùng thuốc men, khâu y tế, thường người ta phải đóng gói chúng điều kiện vơ trùng, sau xử lý nhiệt hay phương pháp hóa học Việc đóng gói điều kiện vơ trùng tương đối phức tạp Nếu dùng xạ khử trùng sau đóng gói, tiện

+ Việc ứng dụng phương pháp chiếu xạ ion hóa để khử trùng trùng thực phẩm hay thuốc men cần phải nghiên cứu kỹ tia ion hóa hủy diệt số sinh tố hay làm biến chất thực phẩm, gây chất có hại cho sức khỏe người Đặc biệt cần xác định số vi khuẩn cịn sống sót sau chiếu liều tương ứng

6.4 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH D U Đ NG V PHÓNG X Ấ Ồ Ị Ạ 6.4.1 Nguyên t c ắ

+ Các hạt nhân đồng vị hạt nhân có số điện tích có số khối khác Đa số nguyên tố thiên nhiên tạo thành từ số đồng vị

+ Nguyên tắc: Một đồng vị bền đồng vị phóng xạ nguyên tố thực tế có tính chất vật lý hóa học nhau, trừ tính phóng xạ Nhưng đồng vị phóng xạ phát dễ dàng nhờ xạ phát từ chúng Do chúng gọi chất đánh dấu hay chất thị + P.pháp nhạy hàng trăm hay hàng nghìn lần so với phương pháp hóa học hay quang phổ

Một ưu điểm khác ta đánh dấu hầu hết nguyên tố, nằm chất hóa học khác

6.4.2 Các bước ti n hành ế

- Chọn đồng vị phóng xạ thích hợp làm chất đánh dấu, - Tạo phân tử đánh dấu,

- Đưa phân tử đánh dấu vào phận cần nghiên cứu (cơ thể người, sinh vật) chờ đợi chuyển hóa,

6.4.2.1 Ch n đ ng v phóng x ọ ồ ị ạ Vi c ch n m t đ ng v phóng x thích h p cho m t m cệ ọ ộ ị ợ ộ ụ đích c th d a y u t sau: ụ ể ự ế ố

+ Loại xạ: Việc chọn đồng vị phóng xạ thích hợp liên quan đến khả đo đạc thiết bị

6.4.2.2 Tạo phân tử đánh dấu : Các chất đánh dấu dùng sinh học phần lớn dưới dạng chất vô hay hữu cơ, dạng nguyên tố Các chất đánh dấu dạng vơ hay ngun tố có từ lị phản ứng (các phản ứng với neutron), từ máy gia tốc (phản ứng với hạt mang điện có lượng cao) hay từ sản phẩm phân hạch Còn phân tử hữu phức tạp hay phân tử có nguồn gốc sinh học tạo theo phương pháp hóa học hay sinh học tổng hợp hóa học, trao đổi đồng vị hay tổng hợp sinh học

6.4.2.3 Đ a ch t đánh d u vào c th ch đ i chuy n hóa: ư ấ ấ ơ ể ờ ợ ể Tùy theo hình th c đ c h pứ ượ ấ th , ch t đánh d u đ c đ a vào qua nhi u hình th c Ch ng h n đ i v i ng i cho u ng hayụ ấ ấ ượ ề ứ ẳ ố ườ ố chích vào tĩnh m ch, đ i v i c i bón vào phân, v.v ố ố

6.4.2.4 Ghi nhận xạ

+ Để ghi nhận đo đạc tia phóng xạ, người ta thường dùng ống đếm Geiger-Muller (đối với tia ) dectector nhấp nháy

+ Đối với đồng vị phóng xạ phát tia có lượng thấp người ta dùng chất nhấp nháy lỏng 6.5 PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT: ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhờ độ nhạy cực kỳ cao so với phương pháp khác Trong y học, phương pháp cho phép đo xác hàm lượng nguyên tố vi lượng, thành phần quan trọng thể động vật

6.5.1 Nguyên t c ắ

+ Khi chiếu mẫu vật chùm tia neutron thích hợp, phản ứng hạt nhân chùm tia neutron hạt nhân có mẫu cho hạt nhân Các hạt nhân không bền phân rã phát tia phóng xạ

+ Bằng cách khảo sát đặc trưng tia phóng xạ (loại xạ, lượng, chu kỳ bán rã) so sánh chúng với giá trị cho bảng hạt nhân phóng xạ, ta xác định loại hạt nhân phóng xạ từ biết nguyên tố có mặt mẫu vật (phân tích định tính) Việc đo số lượng tia phóng xạ phát từ mẫu cho phép tính hàm lượng nguyên tố cần khảo sát (phân tích định lượng)

+ Các tia phóng xạ phát từ mẫu vật hay/và Thường người ta ghi nhận tia detector nhấp nháy NaI(Tl) chúng có hiệu suất ghi nhận cao Thiết bị kèm máy phân tích đơn kênh hay đa kênh, cho phép phân tích định tính lẫn định lượng hàm lượng nguyên tố có mẫu

+ Nguyên tắc vật lý phương pháp phân tích kích hoạt tương đối đơn giản, vấn đề kỹ thuật lại phức tạp, đặc biệt cần phân tích hàm lượng nhỏ Khi độ xác kết đo phụ thuộc chủ yếu vào việc đánh giá sai số Nói chung việc đánh giá sai số khâu quan trọng PTKH

Ưu điểm: nhạy, nhanh, hàng loạt, không phá mẫu

6.5.2 Đ c m c a phặ ể ủ ương pháp PTKH ng d ng Nông nghi p,Y Sinh h c ứ ụ ệ ọ Trong ứng dụng nông, y, sinh cần ý số đặc điểm kỹ thuật phương pháp sau

6.5.1 S thay đ i tính ch t c a m u nhi t đ cao ự ổ ấ ủ ẫ ệ ộ

Để đạt độ nhạy cao, người ta thường chiếu mẫu với chùm neutron nhiệt phát từ lò phản ứng hạt nhân Nhưng lò phản ứng hạt nhân luôn tồn xạ với cường độ mạnh, xạ làm nóng mẫu sinh học chiếu dẫn đến thay đổi tính chất chất hữu có mẫu làm bay số chất Do người ta phải tìm cách giữ mẫu nhiệt độ thấp suốt trình chiếu

6.5.2 Tách ph n ng nhi u ả ứ ễ

+ Dùng detector có phải độ phân giải lượng cao

+ Dùng chương trình phân tích phổ tự động chạy máy tính, nhiên phương pháp không áp dụng đỉnh phổ cần quan tâm bị nằm chồng chung với đỉnh phổ nguyên tố khác

+ Chọn lựa phản ứng thích hợp

6.6 PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ: cho phép thu hình ảnh cấu trúc quan sinh học, từ vĩ mô đến vi mô

Trong sinh học phương pháp CAPX ứng dụng công việc sau: + Chứng minh có mặt chất cấu trúc thể sống;

+ Nghiên cứu động học q trình chuyển hóa vật chất cấu trúc sinh học; + Nghiên cứu vận chuyển chất từ cấu trúc sang cấu trúc khác

6.6.1 Nguyên t c ắ

+ Tia phóng xạ vào nhũ tương làm xuất electron tự Các electron tích tụ tâm nhạy sau có khả kết hợp với ion Ag+ tạo thành nguyên tử bạc kim loại + Nhũ tương dạng lỏng hay rắn, tùy theo mục đích sử dụng chế tạo cho

chúng nhạy với loại hạt xạ hay khác 6.6.2 K thu t ch p nh phóng x CAPX ỹ ậ ụ ả ạ

6.6.2.1 Đánh d u đ i t ng nghiên c u b ng đ ng v phóng x (đvpx): ấ ố ượ ứ ằ ồ ị ạ

+ Đưa vào thể sống cách tiêm hay cho uống, ảnh CAPX trường hợp thường mờ nhạt

+ Cho đvpx vào môi trường nuôi cấy tế bào: phương pháp thường cho ảnh CAPX rõ nét nhờ hàm lượng lớn 6.6.2.2 Làm tiêu Việc chuẩn bị tiêu cho thí nghiệm phải đảm bảo hai điều kiện sau đây:

+ Khơng làm thay đổi vị trí định trước lượng đvpx gắn; + Thích hợp với việc bọc nhũ tương tiến hành trình ảnh

6.6.2.3 B c nhũ t ng: ọ ươ Đ i v i CAPX vĩ mô ng i ta th ng đ t phim áp sát vào v t, đ i v iố ườ ườ ặ ậ ố CAPX vi mô th ng ng i ta s d ng nhũ t ng l ng hay nhũ t ng bóc Nhũ t ng l ng dùngườ ườ ụ ươ ỏ ươ ươ ỏ đ c pha loãng v i n c c t hay dung d ch kali bromua.Trong cách dùng nhũ t ng bóc ng i taượ ướ ấ ị ươ ườ th ng bóc nhũ t ng thành t ng t m b c tiêu b n ườ ươ ấ ọ ả

6.6.2.4 Thực thời gian chụp: Thời gian chụp thường khác nhau, tùy điều kiện cụ thể thí nghiệm kéo dài từ ngày đến tháng Người ta không thực thời gian chụp ngày phải đánh dấu vật phẩm với hàm lượng đvpx lớn, làm tổn hại cấu trúc sinh học vật phẩm

6.6.2.5 Hiện ảnh, cố định ảnh, rửa làm khô tiêu

+ Hiện ảnh trình "khuếch đại" tâm ảnh ẩn đến ngưỡng nhìn thấy Việc làm ảnh thực phương pháp hóa học hay vật lý

+ Cố định ảnh: Sau ảnh, cần phải loại bỏ tinh thể AgBr không bị khử để ảnh lên nhìn thấy rõ ràng bền vững