II. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
2.1.4. Phóng xạ
a. Một số khái niệm
Phóng xạ là tính chất của một số nguyên tử phát sinh tia bức xạ rồi biến thành một nguyên tố
Hiện tượng biến đổi của các hạt nhân không ổn định thành ổn định kèm theo giải phóng năng lượng được gọi là hiện tượng phóng xạ.
Quá trình mà nguyên tử không bền giải phóng năng lượng dư của nó gọi là sự phân rã phóng
xạ. Hạt nhân nhẹ, với ít Proton và nơtron trở lên ổn định sau một lần phân rã. Khi một hạt nhân
nặng như Radi hay Urani phân rã, những hạt nhân mới được tạo ra có thể vẫn không ổn định, mà giai đoạn ổn định cuối cùng chỉ đạt được sau một số lần phân rã. Ví dụ: Urani 238 có 92 proton và 146 nơtron luôn mất đi 2 proton và 2 nơtron khi phân rã. Số lượng proton còn lại sau một lần Urani phân rã là 90, nhưng hạt nhân có số lượng proton 90 lại là Thori, vì vậy Urani 238 sau một lần phân rã sẽ sinh ra Thori 234 cũng không ổn định và sẽ trở thành Protatini sau một lần phân rã nữa. Hạt nhân ổn định cuối cùng chỉ được sinh ra sau lần phân rã thứ 14.
Phóng xạ là một hiện tượng thuần tuý hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử hoàn toàn không thể đụng tới được. Không gì có thể ảnh hưởng đến hiện tượng phân giải hạt nhân hoặc làm thay đổi tính chất; người ta có thể đốt cháy, nghiền nát, tác động về mặt hoá học đến một nguồn phóng xạ, nhưng những cái đó không ảnh hưởng gì đến hạt nhân không ổn định mang tính chất phóng xạ đó được. Một nguồn phóng xạ không thể bị phá huỷ, ngoài việc tự nó phân giải, tự phá huỷ.
Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về phóng xạ. Becquerel, Pierre và Marie Curie đã phát hiện ra Radi tự nhiên còn Irene và Fédéric Joliot Curie phát minh ra Radi nhân tạo.
Tia phóng xạ là gì?
Các chất phóng xạ phát ra các tia bức xạ. Các tia bức xạ có khả năng đâm xuyên qua vật chất và gây hiện tượng ion hoá. Do đó, ta còn gọi các tia phóng xạ là bức xạ ion hoá.
Bức xạ là năng lượng dư thừa của hạt nhân nguyên tử được giải phóng ra dưới dạng các sóng điện từ và các dòng phân tử
Có hai loại bức xạ ion hoá :
- Các tia bức xạ hạt (α, β, nơtron). - Các tia bức xạ điện tử (tia X và tia γ ).
Tia alpha (α )
Đối với một nguyên tử nặng, hạt nhân không ổn định và giải phóng ra một lúc 2 proton và 2 nơtron, dưới dạng hạt nhân hêli. Như vậy, hạt alpha là hạt nhân của nguyên tử hêli thoát ra từ một hạt nhân nguyên tử nặng trong quá trình biến đổi hạt nhân. Ví dụ Radi biến thành Radon và phát ra các hạt alpha: 226Ra88 → 222Rn86 + 4He2
Hạt alpha mang điện dương và có tác dụng ion hoá rất mạnh (30.000 cặp ion trong 1 cm không khí mà tia đi qua), nhưng rất ít đâm xuyên.
Tia bêta (β)
Tia bêta gặp ở trường hợp hạt nhân không ổn định và tuy không quá nặng nhưng lại có nhiều proton hay nơtron. Khi có nhiều nơtron, sự biến đổi nơtron thành protron phát sinh một điện tử (-), tốc độ cao, hạt β. Khi có nhiều protron, sự biến đổi ngược lại và phát sinh một điện tử (+) hay một positron hoặc hạt β (+).
Như vậy, tia β là chùm điện tử, phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo hiện tượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) hoặc ngược lại, và có tia β (-) (khi P32 biến thành S32 ) và tia β (+) (khi Na22 biến thành Ne22).
Trong y học và công nghiệp, những người sử dụng các nguyên tố phóng xạ hay phải tiếp xúc với các loại tia này.
Nói chung, năng lượng của các hạt β kém các hạt α, khả năng ion hoá cũng thấp hơn nhiều (150 cặp ion qua 1 cm không khí ). Nhưng tia β có khả năng đâm xuyên mạnh hơn.
Nơtron
Nơtron là những hạt không mang điện của hạt nhân nguyên tử, được giải phóng trong quá trình phá vỡ hạt nhân nguyên tử nặng uran (lò phản ứng nguyên tử).
Nơtron chỉ bị giữ lại khi va chạm vào các hạt nhân khác, do đó, nó có khả năng đâm xuyên rất lớn, các nguyên tố có hạt nhân bị va chạm trở thành có tính phóng xạ.
Tuy nhiên, những “nơtron nhanh” trên đây đi chậm lại trong nước hay parafin và biến thành “nơtron nhiệt” dễ bị các vật liệu đặc biệt như bore và cadimi hấp thụ. Bêtông cũng rất hay được dùng để ngăn nơtron ở xung quanh các lò phản ứng nguyên tử.
Tia gamma (γ)
Một số hạt nhân, sau khi phóng tia α, β+ hay β-, sẽ có quá nhiều năng lượng và ở trạng thái kích thích. Sự trở lại trạng thái ổn định sẽ phát ra photon gamma. Như vậy, tia gamma là chùm hạt photon phóng ra từ hạt nhân nguyên tử. Các tia γ không bị lệch hướng bởi từ trường, khả năng ion hoá rất kém: chỉ sinh vài cặp ion khi đi qua một centimet không khí. Trái lại, khả năng đâm xuyên lại rất mạnh so với các tia α và β. Phải dùng những tấm chỉ dày hàng centimet mới làm giảm được rõ rệt số tia đi qua. Không bao giờ tia gamma bị hấp thụ hoàn toàn hoặc bị chặn hẳn lại. Bản chất tia gamma là điện tử; như ánh sáng, tia X, tốc độ của tia gamma là 300.000 km/giây.
Tia X
Giống như tia gamma, tia X cũng là bức xạ điện tử nhưng có bước sóng dài hơn. Các tính chất của tia X cũng tương tự tia gamma. Sự đổi chỗ của các điện tử từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác phát ra tia X. Trong các bóng X quang, tia X phát ra một luồng điện tử động năng lớn đập vào đối âm cực.
Đơn vị đo lường bức xạ
+ Đơn vị hoạt độ phóng xạ (Becquerel)
Hoạt độ phóng xạ chỉ khả năng phát ra bức xạ của một chất. Hoạt độ không có nghĩa là
cường độ của bức xạ được phát ra hay những rủi ro có thể xảy ra đối với sức khoẻ con người. Nó được quy định bằng đơn vị hoạt độ Becquerel (Bq), phỏng theo tên một nhà vật lý người Pháp, Henri Becquerel.
Hoạt độ phóng xạ của một tập hợp các hạt nhân phóng xạ được tính bởi số các phân rã trong nó trong một đơn vị thời gian. Nếu số lượng phân rã là 1/1 giây thì hoạt độ của chất đó được tính là
1 Bq. Hoạt độ không liên quan gì đến kích thước hay khối lượng của một chất. Một nguồn phóng xạ có độ lớn bằng điếu thuốc lá dùng trong một dụng cụ quan trắc phóng xạ có thể có hoạt độ lớn hơn hoạt độ cả thùng lớn chất thải phóng xạ hàng tỷ lần. Nếu số lượng phân rã xảy ra ở một lượng nhỏ của một chất là 1000/1 giây, hoạt độ của chất đó lớn hơn 100 lần so với một số lượng lớn chất chỉ có 10 phân rã xảy ra trong 1 giây.
+ Chu kỳ bán phân rã
Tốc độ phân rã được mô tả bằng chu kỳ bán phân rã, đó là thời gian mà ½ số hạt nhân không bền của một chất nào đó phân rã. Chu kỳ bán phân rã là đơn nhất không thay đổi cho từng hạt nhân phóng xạ và có thể là từ một phần giây đến hàng tỷ năm. Chu kỳ bán rã của Sulfua - 38 là 2 giờ 52 phút, của Radi - 223 là 11,43 ngày, và Cacbon - 14 là 5.730 năm. Trong các chu kỳ bán rã liên tiếp, hoạt độ chất phóng xạ giảm bởi phân rã từ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16… so với hoạt độ ban đầu. Điều đó cho phép tính hoạt độ còn lại của bất cứ chất nào tại một thời điểm bất kỳ trong tương lai.
Bức xạ có khắp nơi trong môi trường. Hầu hết các chất phóng xạ có đời sống dài đều sinh ra trước khi có Trái đất, vì vậy một lượng chất phóng xạ luôn tồn tại là điều bình thường không thể tránh khỏi. Trong thế kỷ vừa qua, lượng phóng xạ đó tăng lên không ngừng do các hoạt động như thử vũ khí hạt nhân và phát điện hạt nhân. Mức độ phóng xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: địa điểm, thành phần của đất, vật liệu xây dựng, mùa, vĩ độ, và mức độ nào đấy nữa là điều kiện thời tiết: mưa, tuyết, áp suất cao, thấp, hướng gió… tất cả đều ảnh hưởng đến bức xạ. Bức xạ được xem là tự nhiên hay nhân tạo là do nguồn gốc sinh ra của nó.
b. Nguồn gốc bức xạ
(1) Bức xạ tự nhiên
Bức xạ tự nhiên là những bức xạ vũ trụ đến từ không gian. Chúng hầu hết bị cản lại bởi khí quyển bao quanh Trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được Trái đất.
Còn các chất phóng xạ tự nhiên thường tồn tại trong lòng đất dưới dạng hóa thạch và hầu như không làm ai bị chiếu xạ; mặc dù quá trình phân rã phóng xạ vẫn có thể âm ỉ diễn ra; khi các hóa thạch này bị đốt cháy, các chất phóng xạ được thải vào khí quyển rồi sau đó khuếch tán vào môi trường, làm tăng dần chất phóng xạ.
Trong các bức xạ tự nhiên, nguyên nhân chung nhất của sự tăng phóng xạ là Radon, một chất khí sinh ra khi Radi kim loại phân rã. Các chất phóng xạ khác được tạo thành trong quá trình phân rã tồn tại tại chỗ trong lòng đất, nhưng Radon thì bay lên khỏi mặt đất.
Loại trừ khí Radon, hầu hết các bức xạ tự nhiên không có hại đối với sức khoẻ con người.
(2) Bức xạ nhân tạo
Những hoạt động của con người cũng tạo ra các chất phóng xạ thải vào khí quyển phần lớn do các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân. Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy điện hạt nhân bảo đảm chúng không gây tác hại gì. Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường.
c. Lợi ích và tác hại của phóng xạ
(1) Ứng dụng chất phóng xạ trong cuộc sống Sản phẩm tiêu dùng
Một số sản phẩm tiêu dùng cũng có chứa chất phóng xạ. Các ngôi nhà thường được trang bị các thiết bị phát hiện khói có chứa nguồn phóng xạ alpha nhỏ, sơn dạ quang đồng hồ và các dụng cụ cũng có chất phóng xạ tác động vào chất phôtpho làm nó sáng lên.
Công nghiệp
Nhiều người phải tiếp xúc hàng ngày với các vật liệu phóng xạ trong rất nhiều ngành công nghiệp. Con mắt bức xạ nhìn được mọi thứ được sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau, thường để bảo đảm an toàn cho con người.
Tia X được dùng để soi hành lý tại các sân bay, kiểm tra các khuyết tật mối hàn và các vết hàn hoặc các vết nứt có trong công trình xây dựng, các đường ống và các cấu trúc khác. Trong quá trình kiểm tra, nó có thể giúp theo dõi những bất thường trong độ dày sản phẩm giấy, của nhựa phim và các lá kim loại. Bức xạ được dùng đo mức độ chất lỏng trong các bồn chứa lớn.
Nông nghiệp
Bức xạ đã được sử dụng thành công trong việc phát triển 1500 giống cây lương thực và cây trồng khác cho sản lượng cao hơn, chống chịu tốt hơn với điều kiện thiên nhiên và sâu bệnh.
Bức xạ được dùng để kiểm soát ruồi Tsetse ở Zambia, ruồi hại hoa quả ở Mexico và sâu cuốn lá ở Nam Mỹ và Bắc Phi. Trong kỹ thuật vô sinh côn trùng, côn trùng đực được đem chiếu xạ làm cho chúng bị mất khả năng sinh sản trước khi thả chung với côn trùng cái, thế hệ sau sẽ không được sinh ra. Không giống các hoá chất diệt côn trùng, biện pháp này không gây ô nhiễm và có mức tác dụng chọn lọc cao.
Y học
Sử dụng bức xạ để chẩn đoán bệnh trong chụp X quang, trong điều trị bệnh như xạ trị...Khi tia X vào cơ thể, nó tạo một hình ảnh có những vùng tối hơn và có những vùng sáng hơn, cho phép chụp các cơ quan nội tạng để chẩn đoán bệnh. Xương được tạo hình ảnh rất rõ trên phim nhưng kiểm tra ruột hoặc sụn, bệnh nhân thường được tiêm, uống hoặc đưa vào cơ thể một chất tương phản, chất đó sẽ đọng lại ở nơi sẽ chụp và do tính dễ hấp thu bức xạ đó sẽ cho hình ảnh rất rõ về bộ phận được chụp trên phim X quang.
Khi cần nguồn năng lượng lớn hơn X quang như trong xạ trị, thì người ta dùng thiết bị Telecobalt, hay gần đây hơn là dùng máy gia tốc tuyến tính. Máy gia tốc tuyến tính truyền chùm electron năng lượng cao vào sâu trong khối tế bào cần điều trị như các khối u. Vì chùm tia electron rất dễ căn chuẩn, nó chiếu thẳng vào các khối u và phá huỷ khối u trong thời gian vài tuần mà không gây tổn hại nhiều cho tế bào xung quanh hoặc cho da. Các tế bào xung quanh nếu bị ảnh hưởng sẽ có thời gian hồi phục giữa các đợt điều trị. Khi cần thiết, máy gia tốc tuyến tính có thể chụp ảnh các cơ quan nội tạng với hình ảnh rõ hơn nhiều so với chụp X quang.
Một hình thức khác nữa của xạ trị là điều trị hocmôn tuyến giáp và một số dạng u giáp trạng. Bệnh nhân được uống một dung dịch có chứa iôt 131, chất này đi vào tuyến giáp và tạo ra nội xạ trị. Trong trường hợp đặc biệt, một nguồn xạ nhỏ liên tục được đưa vào trong cơ thể bên cạnh vùng cần điều trị để thực hiện vùng điều trị ngắn tại chỗ.
Chiếu xạ khử trùng và bảo quản thực phẩm
Nguồn phóng xạ rất mạnh có thể được sử dụng để khử trùng các dụng cụ như dụng cụ phẫu thuật, găng tay, những dụng cụ không thể khử trùng bằng nhiệt độ cao. Một số loại thuốc cũng được khử trùng bằng chiếu xạ; thực phẩm cũng có thể chiếu xạ để bảo quản được lâu hơn. Hiện nay khoảng 20% thực phẩm bị hỏng trước khi đến được với người tiêu dùng trong khi thực phẩm chiếu xạ có thể bảo quản nhiều tháng. Chiếu xạ thực phẩm cũng loại trừ được các ký sinh trùng và khuẩn có hại. Thực phẩm đó được chiếu xạ không mang tính phóng xạ và không nguy hại đối với người tiêu dùng.
(2) Tác hại của bức xạ
Bức xạ sinh ra dưới nhiều hình thức. Đối với sức khỏe con người, các dạng quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua vật chất và làm cho nó bị ion hóa. Nếu bức xạ ion hóa thấm vào các mô sống, các ion được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ α, β, γ, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ.
Tác hại của bức xạ đối với con người
Bức xạ là một trong những tác nhân có liên quan tới bệnh tật, gây ra sự tổn thương bức xạ ở mức phân tử, tế bào và hệ thống cơ quan của con người.
* Cơ chế trực tiếp: bức xạ trực tiếp gây ion hóa các phân tử trong tế bào làm đứt gẫy liên kết trong các gen, các nhiễm sắc thể, làm sai lệch cấu trúc và tổn thương đến chức năng của tế bào.
* Cơ chế gián tiếp: Khi phân tử nước trong cơ thể bị ion hóa sẽ tạo ra các gốc tự do, các gốc này có hoạt tính hóa học mạnh sẽ hủy hoại các thành phần hữu cơ như các Enzyme, protein, lipit
trong tế bào và phân tử ADN, làm tê liệt các chức năng của các tế bào lành khác. Khi số tế bào bị hại, bị chết vượt quá khả năng phục hồi của mô hay cơ quan thì chức năng của mô hay cơ quan sẽ bị rối loạn hoặc tê liệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe.
- Các hiệu ứng cấp do bức xạ gây ra: Khi toàn thân nhận một liều cao trong một thời gian ngắn sẽ làm ảnh hưởng đến hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương. Các ảnh hưởng trên đều có chung một số triệu chứng như: buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những