6.1.1. Phóng xạ
Phóng xạ là tính chất của một số nguyên tử phát sinh tia bức xạ rồi thoát biến thành một nguyên tố khác.
Các hạt nhân không ổn định hay các radionucleit có thể lúc nào cũng là nơi biến đổi cấu trúc, là nơi phân giải. Hiện tượng biến đổi của các hạt nhân không ổn định thành ổn định là hiện tượng phóng xạ.
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.
6.1.2. Các tia phóng xạ
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.
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 anpha (α)
Đối với một nguyên tử nặng, hạt nhân không ổn định và phóng ra một lúc 2 proton và 2 nơtron, dưới dạng hạt nhân hêli. Như vậy, hạt anpha là hạt nhân của nguyên tử hêli thoát ra từ một nhân nguyên tử nặng trong quá trình biến đổi hạt nhân. Thí dụ radi biến thành radon và phát ra các hạt anpha:
226Ra88 → 222Rn86 + 4He2
Hạt anpha mang điện dương. Các hạt α có cùng năng lượng, năng lượng này mất đi nhanh chóng khi đi qua vật chất, nhưng chỉ đi được rất gần. Sở dĩ như vậy vì các hạt α va chạm vào các hạt nhân và các điện tử của những nguyên tử vật chất. Những va chạm liên tiếp đó làm cho hạt α đi chậm lại, cuối cùng, các hạt này nhường lại toàn bộ năng lượng đủ để lấy các điện tử ra khỏi quỹ đạo, tạo ra các ion: tia α có tác dụng ion hoá rất mạnh (30.000 cặp ion trong 1cm không khí mà tia đi qua) nhưng rất ít đâm xuyên (vài centimet không khí hay da là đủ để chặn lại).
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 đâm xuyên mạnh hơn.
Cũng cần phải nhớ là năng lượng của tia bức xạ β có thể biến thành tia α hay tia X khi các hạt β chậm lại lúc đi gần một hạt nhân của chất bị đâm xuyên (bức xạ hãm).
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 trườngkhả 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 300.00km/giây.
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 Cadmi hấp thụ. Bêtông cũng rất hay được dùng để ngăn nơtron ở xung quanh các lò phản ứng nguyên tử.
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.
6.1.3. Đơn vị đo lường và liều lượng tối đa cho phép
Curi (Ci)
Là đơn vị hoạt tính phóng xạ. Curi là hoạt tính của một nguyên tố phóng xạ nào đó mà cứ mỗi giây có 3,7.1010 nguyên tử bị phân rã. Một Curi xấp xỉ bằng hoạt tính của 1 gam Ra226.
= 106 μCi (microCuri) = 109 nCi (nanoCuri) = 1012 pCi (picoCuri)
Rơnghen (R)
Rơnghen là đơn vị liều tiếp xúc, nghĩa là sự truyền năng lượng dưới hình thức tia bức xạ.
R là liều tia X hay hay tia γ khi chiếu vào 1 cm3 không khí ở điều kiện chuẩn sẽ tạo ra ở đó 2,09.109 cặp ion tương đương với một đơn vị tĩnh điện C.G.S cho mỗi dấu (1cm3 không khí, ở điều kiện chuẩn tương đương với 0,001293 gam không khí). R là đơn vị đo số lượng photon toả lan trong không khí ở một điểm đã cho sẵn.
Rad
Rad là đơn vị liều hấp thụ. Đơn vị này đo số năng lượng do các tia để lại khi đi qua tổ chức. Cụ thể Rad là liều bức xạ ion hoá giải phóng trong một gam vật chất một năng lượng tương đương với 100erg hoặc 10-5jun.
Một renghen trong một gam không khí giải phóng một năng lượng bằng 87,8 erg tương đương với 0,878 rad và trong một gam trong tổ chức mềm hoặc nước, giải phóng một năng lượng bằng 97,4 erg tương ứng vớI 0,974rad.
Rem (Roentgen equivalent man)
Rem là đơn vị liều tương đương, là liều lượng của tia được hấp thụ không kể đến bản chất của tia, tạo ra hiệu lực bằng 1rad của tia X.
Như vậy theo định nghĩa đối với tia X và gamma, ta có: 1rem = 1rad Đối với những tia hạt nhân, ta có:
1rem = 1rad x E.B.R
E.B.R là hệ số hiệu lực sinh học tương đương. Do các tia không được các tổ chức hấp thụ như nhau, nên cùng một liều lượng được giải phóng vào cùng một tổ chức trong cùng một thời gian lại có một hiệu lực sinh học khác nhau, tuỳ theo đó là tia anpha, bêta, nơtron.
6.1.4. Đơn vị liều lượng
Tác dụng sinh học còn phụ thuộc vào thời gian hấp thụ liều bức xạ. Một liều 150rad gây những rối loạn rõ rệt nếu nhận một lần. Vẫn liều đó nhận rải ra trong 30 năm lại không có tác hại rõ rệt.
Do đó, người ta dùng các đơn vị R/giờ, rad/giờ, rem/giờ, hoặc R/ngày, R/năm… Năng lượng của tia bức xạ lại đo bằng electron-volt (eV) với các bội số 1eV = 10-3 keV (kiloelectronvolt) = 10-6MeV (megaelectronvolt) = 10-9GeV (gigaelectronvolt) = 10-12TeV (teraelectronvolt).
6.1.5. Liều lượng tối đa cho phép
Đây là liều tia bức xạ mà cơ thể người chịu đựng được không có tổn thương đáng kể.
Đối với những người làm việc ở nơi phải tiếp xúc với phóng xạ, áp dụng công thức sau đây:
D : liều tối đa cho phép tính bằng R. N : tuổi đời.
Thí dụ : đối với một người 40 tuổi (N = 40) tổng liều D không được vượt quá là: D = 5 (40 – 18).
D = 110 R.
Như vậy, một công nhân có thể hấp thụ trung bình 5R hàng năm hay 100mR hàng tuần, hoặc 2,5mR mỗi giờ lao động.
Người dưới 18 tuổi không được làm việc ở nơi có phóng xạ. Đối với phụ nữ ở thời kỳ sinh đẻ, vẫn có thể áp dụng công thức trên nhưng không được hấp thụ trên 1,3R trong thời gian 3 tháng liên tục.
Đối với người làm việc trong vùng không trực tiếp tiếp xúc với phóng xạ, liều hàng năm không vượt quá 1,5R.
Đối với nhân dân sống trong vùng gần nơi có nguồn phóng xạ, liều hàng năm không được vượt quá là 0,5R.
6.2. Tác hại của ô nhiễm phóng xạ
Các chất phóng xạ nguy hiểm hơn rất nhiều so với chất độc nguồn gốc động vật hay thực vật có độc tính cao nhất. Độc tố botulin với liều lượng một phần triệu gam là đủ làm chết người, trong khi một lượng nguyên tố phóng xạ P32 nhỏ hơn hàng trăm lần hít phải hay ăn phải cũng gây tử vong. Tác hại của tia phóng xạ còn phụ thuộc vào: - Liều hấp thụ, nghĩa là năng lượng hấp thụ theo từng đơn vị khối lượng tổ chức bị nhiễm xạ.
- Thời gian bị nhiễm xạ dài hay ngắn, liên tục hay gián đoạn. - Tính chất các tia bức xạ: X, α, β hay γ…
- Tính chất các cơ quan hay tổ chức bị nhiễm xạ. Các tổ chức nhạy cảm nhất là tổ chức lymphô rồi đến tế bào biểu mô, các nhu mô của tuyến. Còn các tổ chức liên kết, cơ, thần kinh rất kém nhạy cảm
Tác hại của bức xạ ion hoá lên cơ thể người thường là:
- Nếu tác hại đến tế bào cơ thể người bị nhiễm xạ thì chính người này bị bệnh. - Nếu tác hại đến tế bào sinh dục, ảnh hưởng có thể biểu hiện đến thế hệ sau. Mỗi liều phóng xạ nhất định không nhất thiết tương ứng với một tác hại nhất định. Toàn bộ liều hấp thụ ở mỗi người được tích luỹ dần và không hồi phục.
Các tổn thương chung là ở tế bào: ức chế phân chia kèm theo là sự hoạt hoá bình thường lại hoặc là hoạt hoá lại quá mức dẫn tới sự tăng sinh ác tính, ức chế enzym, tổn thương các gien, biến đổi các thể nhiễm sắc. Từ tổn thương tế bào này dẫn đến sự rối loạn chức năng các tổ chức, nhất là các tổ chức phát triển nhanh, giữ vai trò quan trọng trong sự sống như tuỷ xương, tổ chức lymphô, tổ chức ruột, tế bào sinh dục.
Nói chung, người ta thường chia ra làm hai loại tác hại: tác hại lý hoá và tác hại sinh vật học.
Tác hại lý hoá
- Sự kích thích: đây là tình trạng nguyên tử nhận được một mức năng lượng lớn hơn mức ban đầu. Trong một đại phần tử, năng lượng quá mức này có thể di chuyển tác động vào một số điểm yếu làm đứt chuỗi phân tử (khả năng biến đổi độ quánh, làm mất sự polyme hoá…)
- Sự ion hoá: đây là sự hình thành các ion bằng cách thêm vào hay bớt đi các điện tử ở nguyên tử hay phân tử đã bị phân tích, dẫn đến những phản ứng phức tạp hơn.
Ảnh hưởng gián tiếp: Đây là những phản ứng hoá học tiếp theo hiện tượng ion
hoá.
Trong cơ thể, 75% trọng lượng các tổ chức, cơ quan là nước nên sự ion hoá các phân tử nước có một ý nghĩa rất dặc biệt, tạo nên các gốc tự do. Đáng kể nhất là các gốc hydro nguyên tử (H), hydrôxyl (OH), hydrôxyt (H2O), hydroperrôxyt (H2O2). Các gốc này có khả năng tham gia vào phản ứng với các chất ôxy hoá hoặc ôxy khử mạnh, tác động dễ dàng đến các phân tử hữu cơ, phát sinh những phản ứng mới. Tiếp đó hiệu quả sinh vật của các tia phong xạ phụ thuộc vào hàm lượng ôxy (tổ chức nào thiếu ôxy không nhạy cảm bằng tổ chức đủ ôxy).
Tác hại sinh vật học
Đây là những ảnh hưởng thứ phát, thể hiện qua những rối loạn cấu trúc hay cơ năng. Thời gian ảnh hưởng này ở trong khoảng từ một giờ đến trên 30 năm và tuỳ thuộc ở liều nhiễm xạ cũng như liều lưu lượng nhiễm xạ. Người ta thường chia ra nhiều loại tác hại, những tác hại này xuất hiện do hoạt động của các gốc tự do ở trên, phát sinh nhiều loại phản ứng sinh hoá như: khử amin, ôxy hoá các axit amin, khử carbôxyt các axit hữu cơ, ôxy hoá các hợp chất có nhóm -SH. Những phản ứng này xảy ra ở các axit nucleic, protein, axit amin và các polysaccarit… là những chất rất cần thiết cho tế bào.
Thí dụ như các gốc tự do phản ứng với những gốc hoạt động của hệ thống enzym có nhóm SH, biến chúng thành những nhóm disulfo không hoạt động. Hoạt tính phân giải của hệ thống enzym có gốc SH bị phân huỷ. Một số enzym này lại rất cần thiết cho sự tổng hợp nucleoprotit và axit nucleic.
Tác hại đến tế bào
Về hình thái, các ty lạp thể đã đặc biệt nhạy cảm, những nhân tế bào còn nhạy cảm hơn nhiều. Các biến đổi này xảy ra ở hạt nhân (nucleoles) và thể nhiểm sắc.
Về cơ năng, các rối loạn ngăn cản sự tổng hợp AND và ARN, các protein và kháng thể, cũng như hoạt tính của hệ thống enzym. Sự phân chia tế bào hoặc bị chậm lại, hoặc bị ức chế. Tiếp đó, tế bào bị chết.
Tác hại đến các cơ quan, tổ chức:
- Da bị tổn thương ở biểu bì cũng như chân bì (ban đỏ, hoại tử, sau này dẫn đến ung thư da).
- Cơ quan tạo huyết bị tổn thương nghiên trọng. Các tế bào non rất nhạy cảm với tia phóng xạ, còn các tế bào máu tuần hoàn kém nhạy cảm hơn nhiều. Khi các tế bào bị phá huỷ, thấy xuất hiện các dấu hiệu giảm bạch cầu, tiểu cầu. Khi cấu trúc các tế bào bị tổn thương, sự phân chia tế bào bị ảnh hưởng có thể dẫn đến sự phân chia
không bình thường các bạch cầu, phát sinh bệnh tăng bạch cầu. Tổ chức lymphô là một trong những tổ chức nhạy cảm nhất với phóng xạ, nên những dấu hiệu tiếp xúc quá mức biểu hiện phụ thuộc vào số lymphô bào.
- Các niêm mạc, đặc biệt niêm mạc ống tiêu hoá cũng bị tổn thương. Rối loạn tiêu hoá là dấu hiệu trong hội chứng nhiễm xạ toàn thân cấp, có thể gây loét, thủng ruột và xuất huyết.
- Phổi cũng nhạy cảm với chất phóng xạ nhất là tia α và có thể ung thư.
- Xương có thể bị nhiễm xạ, nhất là các tia α, β gây bệnh saccôm, tuỷ xương bị tổn thương nghiêm trọng.
- Ở mắt thuỷ tinh thể biến đổi. Các tia X ,γ hay nơtron liệu cao sớm muộn có thể gây chứng đục nhân mắt, rồi đến tổn thương giác mạc và màng tiếp hợp.
- Tuyến sinh dục bị tổn thương ở hai chức phận, liều bức xạ thấp gây tổn thương chức phận sinh sản vì các tinh nguyên bào rất nhạy cảm. Liều bức xạ phải cao hơn hẳn mới gây được tổn thương chức phận nội tiết, vì các tế bào kẽ rất ít nhạy cảm với phóng xạ. Chiếu xạ tinh hoàn dẫn đến tình trạng vô tinh trùng tạm thời hay vĩnh viễn, tuỳ liều chiếu xạ. Chiếu xạ buồng trứng làm mất kinh nguyệt, gây chứng mãn kinh nhân tạo tạm thời hay vĩnh viễn.
- Hệ thống thần kinh về giải phẩu thì có sức đề kháng, nhưng về chức phận xem ra lại nhạy cảm, do đó cơ thể bị nhiễm xạ, sinh bệnh não tuỷ với biểu hiện liệt cứng.
- Các tổn thương trên đây dẫn đến tình trạng tổn thương toàn cơ thể
Tác hại đến di truyền
Ảnh hưởng này rất nghiêm trọng vì tác động đến thế hệ sau của người bị nhiễm xạ. Các thể nhiễm sắc ở tế bào mầm bị biến đổi (AND bị biến đổi hoá học). Các tổn thương ở gien không phục hồi. Phần lớn các đột biến đều tai hại nhưng may mắn lại có tính lép di truyền.
Nghiên cứu thế hệ sau của phụ nữ Nhật sau vụ nổ bom nguyên tử Hiroshima thấy có sự lệch hướng giới tính: số lượng con trai giảm hẳn đi. Các tác hại kể trên rất đa