H ướng dẫn học chương 3
4.2. Cơ chết ương tác của bức xạ ion hóa lên vật bị chiếu xạ
4.2.1. Cơ chế tương tác của tia X và tia γ:
Tia bức xạ ion hóa X, γ (bức xạ sóng) chiếu vào môi trường vật chất ñều bị môi trường hấp thụ. Quy luật hấp thụ tuân theo hàm lũy thừa:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 99 k là hệ số hấp thụ; x là bề dày lớp môi trường.
Thực nghiệm cho thấy, tùy theo năng lượng của bức xạ mà quá trình hấp thụ năng lượng của mẫu chiếu xạ có thể thực hiện theo một trong ba cơ chế sau:
a) Hiệu ứng quang ñiện:
Thường xảy ra với sự hấp thụ tia X hoặc tia γ mềm, có năng lượng từ 2 ñến 200KeV. Cơ chế như sau: Khi chiếu bức xạ vào vật chất thì toàn bộ năng lượng của photon bức xạ (ε = hν) ñược truyền cho nguyên tử chất hấp thụ, làm bứt electron ra khỏi nguyên tử (quang electron). Có thể coi như năng lượng của photon bức xạ truyền không ñàn hồi cho electron nên quang electron bứt ra có năng lượng rất lớn, có khả năng gây ion hóa rất mạnh các phân tử mẫu chất bị chiếu xạ (hình 4.4).
b) Hiệu ứng Compton:
Xảy ra với các tia có năng lượng của photon bức xạ từ 200 KeV ñến 2MeV. ðây là cơ chế va chạm ñàn hồi của photon bức xạ và electron của nguyên tử mẫu chất, truyền cho nó một phần năng lượng và làm bứt electron ra khỏi khỏi nguyên tử. Sau va chạm, photon thứ cấp có năng lượng (hν/ ) nhỏ hơn so với lượng tử ban ñầu (hν) và chuyển ñộng theo một hướng khác. Các photon thứ cấp thì tùy theo giá trị năng lượng còn lại mà có thể tiếp tục tương tác với vật chất theo hiệu ứng Compton hoặc hiệu ứng quang ñiện. Các electron bị bứt ra cũng có khả năng gây hiệu ứng ion hóa mới. c) Hiệu ứng tạo cặp electron-positron: Photon hν Electron quang ñiện Hình 4.4. Hiệu ứng quang ñiện Photon hν Electron Compton Hình 4.5. Hiệu ứng Compton Photon hν’
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 100 Khi chiếu bức xạ tia X hay γ có năng lượng lớn hơn 10,22MeV thì photon bức xạ xuyên sâu vào trong hạt nhân nguyên tử mẫu hấp thụ, làm bật ra một electron và một positron. Hai loại hạt này có khả năng tiếp tục gây ion hóa hoặc kích thích nguyên tử chất hấp thụ.
Cặp hạt electron và positron cũng có thể tương tác với nhau gây ra phản ứng hủy cặp và giải phóng ra năng lượng 0,511 MeV dưới dạng tia γ. Tia γ thứ cấp lại tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang ñiện hoặc Compton.
Như vậy cả 3 cơ chế tương tác của tia X và tia γ ñều dẫn ñến giải phóng electron với ñộng năng lớn, các electron này tiếp tục gây ion hóa hoặc kích thích nguyên tử của chất hấp thụ.
4.2.2. Cơ chế tương tác của bức xạ hạt:
Các tia hạt có khối lượng và ñiện tích khác nhau, nhưng chúng có cùng cơ chế truyền năng lượng.
Hạt nơtron không tham gia quá trình tương tác ñiện nhưng khi tương tác với hạt nhân nguyên tử chất bị chiếu xạ sẽ làm giải phóng prôton và tia γ nên cuối cùng cũng là cơ chế tương tác của proton và γ. Do vậy ta chỉ xét chung cơ chế tương tác, truyền năng lượng của hạt mang ñiện.
Các hạt mang ñiện khi xuyên tới nguyên tử của mẫu chất có thể xảy ra các trường hợp sau:
- Nếu năng lượng của hạt ñủ lớn thì nó sẽ va chạm ñàn hồi với nguyên tử vật chất và làm bứt electron khỏi nguyên tử, biến nguyên tử thành ion dương. Hầu hết các electron bứt ra có ñủ năng lượng ñể thực hiện nhiều lần ion hóa liên tiếp.
- Nếu năng lượng của hạt nhỏ và không ñủ ion hóa nguyên tử thì sẽ làm kích thích nguyên tử.
Khi ñi trong vật chất thì năng lượng của hạt giảm dần và tới khi không còn ñủ năng lượng làm bứt electron thì nó sẽ bị một nguyên tử trong vật hấp thụ.
Ta thấy cơ chế tương tác và truyền năng lượng của hai loại bức xạ tuy có khác nhau nhưng chúng vẫn có một ñiểm chung là ñều tạo ra các ion và phân tử bị kích thích. Tuy nhiên do khả năng xuyên của tia X và γ lớn hơn các tia hạt nên hiệu ứng của tia X và γ rất lớn và rất quan trọng ñối với quá trình sống. Photon hν Electron quang ñiện Hình 4.6. Hiệu ứng tạo cặp e- e+
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 101