Hiệu quả cản xạ của vật liệu Polymer Composite chính là khả năng cản xạ của phần lớn các kim loại trong đó. Các kim loại có Z càng lớn và khối lượng riêng cao thì khả năng cản cản xạ càng tăng. Qua nghiên cứu tổng quan ở trên cho thấy trong hầu hết các vật liệu cản xạ được công bố đều có sử dụng một hay một số vật liệu kim loại nặng như trong bảng dưới đây:
Bảng 1.5. Một số kim loại thường sử dụng trong vật liệu cản xạ
Nguyên tố Khối lƣợng riêng (g/cm3) Số nguyên tử (Z)
Chì (Pb) 11,34 82
Tungsen (W) 19,25 74
Bismuth (Bi) 9,78 83
Barium (Ba) 3,51 56
Antimony (Sb) 6,697 51
Hiệu quả che chắn - cản xạ của kim loại được đánh giá ở 3 mức độ: dưới
200 keV; 0,5 ÷ 2 MeV và trên 2 MeV.
Dưới 200 keV (tất cả các máy phát tia X dùng trong lĩnh vực y tế hầu hết nguồn phát nằm trong khoảng năng lượng này). Cơ chế che chắn dưới 200 keV là hiệu ứng quang điện (quang điện tử). Tổng số năng lượng tia X bị hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron bên trong nguyên tử trong vật liệu che chắn. Với dạng năng lượng này thì tia X tương tác với các điện tử tại các mức K, L và M (lớp vỏ điện tử). Hyđro (Z =1) có năng lượng liên kết các e trong nguyên tử là 13,6 eV; Chì (Pb) có năng lượng tại K tương ứng là 88keV (Z = 82). Trong khi nhôm (Al) năng lượng tại cạnh K chỉ 1,7 keV. Với dạng năng lượng dưới 200 keV thì các nguyên tố như chì có thể hấp thụ hoàn toàn hay một phần năng lượng tia X bởi năng lượng liên kết các e tại các lớp vỏ là khá cao vì thế muốn tách các điện tử này khỏi các mức K, L và M thì tia X mất một phần hoặc tất cả năng lượng của mình khi cùng một lúc tương tác với rất nhiều điện tử tại các lớp trong nguyên tử. Một ví dụ khác cũng có khả năng hấp thụ tia X rất cao đó là Bismuth (Bi, Z = 83) - năng lượng cạnh K là 90,5 keV.
Từ 0,5 đến 2 MeV (bức xạ gamma). Tương tác chủ yếu theo cơ chế tán xạ Compton (photon), đó là tỷ lệ thuận với số lượng của các điện tử cho mỗi gram. Trường hợp trên 2 MeV (từ máy gia tốc electron) chủ yếu là xảy ra hiệu ứng sinh cặp elecktron và hiệu ứng truyền qua. Ở đây, che chắn (hấp thụ photon) cơ chế
là sinh cặp bởi các photon năng lượng cao trong vùng lân cận của Z cao hạt nhân (như chì và bismuth).
Tia X có nhiều khả năng tƣơng tác với các nguyên tử nặng (các nguyên
tử với rất nhiều các proton và electron, có số nguyên tử Z lớn) hơn là với các nguyên tử nhỏ hơn. Ví dụ: vonfram, chì, vàng. Mỗi một tia X tương tác, nó sử dụng một phần hoặc tất cả các năng lượng của nó để đánh bật các electron trong nguyên tử xung quanh. Khi tất cả năng lượng được sử dụng để tương tác với các nguyên tử, tia X không còn tồn tại.
Hình 1.13. Mô hình các lớp năng lượng trong cấu tạo nguyên tử chất dưới sự tác động của tia X.
Z càng lớn và số lượng tử chính n càng bé, elecktron bị hạt nhân hút càng mạnh. Đám mây điện tử bao quanh hạt nhân càng khó tách ra nên năng lượng ion hoá càng lớn.
Z càng lớn số e (đám mây điện tử bao quanh hạt nhân càng nhiều), khiến các tia X phải dùng hết năng lượng của mình để cố tách e ra khỏi hạt nhân dần mất hết năng lượng (hay còn goi là bị hấp thụ)
Khả năng cản xạ của chì là một điển hình được quyết định bởi nó là một kim loại đồng thời có số nguyên tử Z cao (Z = 82), có mật độ cao (13,6g/cm3
hoạt của sản phẩm đồng thời vẫn đảm bảo chức năng chính là cản xạ. Các nhà nghiên cứu đã lựa chọn ra các nguyên tố để thay thế chì với số nguyên tử Z cũng khá cao từ (Z = 50 đến 70).
Mặc dù vậy, trong thực tế các vật liệu có chì vẫn được sử dụng nhiều hơn bởi công nghệ đơn giản hơn, nguyên liệu có giá thành thấp và dồi dào, mà khả năng cản xạ thì ổn định ở nhiều mức điện áp khác nhau.
a. Chì (Pb) - Thiếc (Sn) [3]
Chì viết tắt là Pb, có hóa trị phổ biến là II, có khi là IV. Chì là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo hình. Chì có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khí tiếp xúc với không khí.
Thiếc, có ký hiệu là Sn và số nguyên tử là 50. Thiếc có màu ánh bạc, nhiệt độ nóng chảy thấp (232 °C), rất khó bị ôxy hóa, ở nhiệt độ môi trường thiếc chống được sự ăn mòn.
Thiếc và chì là 2 kim loại điển hình. Có lớp e hoá trị ns2 np2, có số e hoá trị bằng số obitan hoá trị, nên tổng năng lượng oxi hoá khá lớn.
Bảng 1.6. Năng lượng ion hoá và tính chất của nguyên tố: Pb, Sn, Bi và W
Nguyên tố Số thứ tự nguyên tử
Cấu hình e Năng lƣợng ion hoá I, eV
I1 I2 I3 I4
Pb 82 4f145d106s26p2 7,42 15,03 32 42,3 Sn 50 4d105s25p2 7,33 14,63 30,6 39,6 Bi 83 4f145d106s26p3 7,98 16,6 25,4 45,1 W 74 4f145d46s2 7,98 17,7 24,08
Nguyên tử của những nguyên tố này có lớp e hoá trị ns2
np2. Do có tổng năng lượng ion hoá khá lớn, chúng lại không thể mất bốn e hoá trị để tạo nên ion 4+; mặt khác độ âm điện của chúng chưa khá lớn, chứng tỏ không thể kết hợp thêm e biến thành ion 4-. Để đạt được cấu hình e bền, những nguyên tử của các nguyên tố này
tạo nên cặp e chung của liên kết cộng hoá trị và trong các hợp chất chúng có những số oxi hoá -4, +2 và +4.
Hình 1.14. Gạch chì trong che chắn bức xạ Hình 1.15. Cấu tạo nguyên tử của Pb
Chì đồng thời có số lượng lớn các điện tử (số Z lớn: 82) và có mật độ cao (13,6 g/cm3), nên chì có khả năng cản xạ rất tốt.
b. Vonfram (W) - Bitmuth (Bi) – Bari (Ba) [3] [31]
Nguyên tử số: 83. Khối lượng nguyên tử: 208.9804 g.mol -1. Mật độ: 9,80 g.cm-3. Điểm nóng chảy 271 ° C. Nhiệt độ sôi 1420 ° C. Số e ngoài cùng : 4f14 5d10 6s2 6p3. Năng lượng ion hoá đầu tiên: 703 kJ.mol -1. Bismuth là một tinh thể màu trắng, dễ vỡ kim loại với một ánh hồng nhạt.
Hình 1.16. Cấu tạo nguyên tử của W, Bi và Ba
Volfram còn gọi là Tungsten, ký hiệu là W, số nguyên tử 74. Là một kim loại chuyển tiếp có màu từ xám thép đến trắng, rất cứng và nặng, volfram được tìm thấy ở nhiều quặng bao gồm wolframit và scheelit và đáng chú ý vì những đặc điểm lý tính mạnh mẽ, đặc biệt nó là kim loại không phải là hợp kim có điểm nóng chảy cao
tử: 9.53cm3/mol. Mật độ: 19. 590035g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy, 3410 oC, Nhiệt độ sôi, 5900oC
Bari, ký hiệu: Ba, màu bạc. Số nguyên tử: 56. Điểm nóng chảy: 725,0 ° C (998,15 K, 1.337,0 ° F). Điểm sôi: 1140,0 ° C (1413,15 K, 2.084,0 ° F). Số proton / electron: 56. Số neutron: 81. Cấu trúc tinh thể: Cubic. Mật độ 293 K: 3,51 g/cm3. Bari có mật độ và số nguyên tử cao. Ý nghĩa của số nguyên tử của họ (Z = 56) là cạnh hấp thụ K-nằm ở năng lượng rất thuận lợi liên quan đến phổ năng lượng điển hình x-ray.
* Trong MCX sử dụng các kim loại nặng khác nhau, ngoài những kim loại
phổ biến và có vai trò cản xạ ưu việt như Pb, Sn, W và Bi, còn xuất hiện các kim loại nặng và trung bình khác như Ba, In, Cs, Cd, Sb,...nhằm kết hợp với kim loại chính cản xạ tốt hơn, khối lượng nhẹ hơn và một số tính chất cơ lý tốt cho MCX. Đồng thời tồn tại bên trong MCX là các kim loại, các hợp chất kim loại có vai trò là chất độn gia cường, chất phụ gia cho quá trình chế biến polymer, chế biến composite nhằm đảo bảo cho MCX có được các tính năng tốt về đặc tính cơ lý: độ đàn hồi, độ bền, độ cứng uốn,...Sự kết hợp hợp lý các kim loại, các nguyên tố cũng như các hợp chất trong cùng một khối polymer composite sẽ tạo ra sản phẩm MCX- ACX có chất lượng đạt yêu cầu về cản xạ, tính chất cơ lý, mức độ tiện nghi, sinh thái-an toàn môi trường; kinh tế và tính thẩm mỹ cao.