Tải bản đầy đủ
BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG

BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG

Tải bản đầy đủ

Sự phát tia Roentgen có thể được giải thích như sau: Khi katốt được đốt nóng các điện tử
tách ra và dưới tác dụng của điện trường, từ nguồn điện cực lớn 100kV, sẽ thoát bay đến anốt
với vận tốc lớn. Khi điện tử đập vào anốt bị dừng lại một cách đột ngột và nhường phần lớn
năng lượng cho các điện tử của nguyên tử chất làm cực anốt. Các điện tử này nhận năng lượng
chuyển lên trạng thái kích kích có mức năng lượng cao (E1) khi trở về trạng thái ban đầu có
mức năng lượng thấp (E0) sẽ phát ra tia roentgen có tần số  thỏa mãn hệ thức:
𝜈=

𝐸1 − 𝐸0


Năng lượng của tia được xác định theo hệ thức:
𝐸 = ℎ. 𝜈 = ℎ

𝑐
𝜆

Trong đó: h là hằng số Planck; c là vận tốc ánh sáng trong chân không;  là bước sóng của
tia roentgen.
Khi điện tử đập vào anốt chỉ có 0,2% năng lượng phát ra tia roentgen còn lại chuyển thành
nhiệt, đốt nóng anốt. Ống phóng tia Roentgen hoạt động dưới điện áp 400kV, phát ra tia
Roentgen có bước sóng ngắn nhất là 0,03Ao, trung bình là 0,06 Ao.

7.1.2.2.

Tia gamma ()

Bức xạ gamma là bức xạ điện từ, bước sóng ngắn (<1Ao). Sự khác nhau giữa bức xạ gamma
và bức xạ roentgen là nguồn gốc: bức xạ gamma phát ra từ trong nhân, còn tia X sinh ra ở ngoài
nhân.
Sơ đồ phân rã như sau:
228
90𝑇ℎ

60
27𝐶𝑜

eV)

MeV)

0,2%

eV)

100%

0,4%
MeV
MeV




MeV


MeV

eV)


MeV


60
28𝑁𝑖


MeV

88%
eV)
71%

MeV
224
88𝑅𝑎

Hình 7-2a. Sơ đồ phân rã 𝟔𝟎
𝟐𝟕𝑪𝒐

Hình 7-2b. Sơ đồ phân rã 𝟐𝟐𝟖
𝟗𝟎𝑻𝒉
179

Tốc độ lan truyền của bức xạ gamma bằng tốc đô ánh sáng. Năng lượng của bức xạ phụ
thuộc vào tần số hoặc độ dài của bước sóng. Bức xạ gamma không phải do nhân phóng xạ trực
tiếp phát ra mà là một quá trình thứ phát, nghĩa là sinh ra từ nhân mới được tạo thành khi nó
còn trong trạng thái kích thích chưa ổn định. Khi một nhân phân rã theo kiểu  hoặc  sẽ tạo
thành một nhân mới, nhân mới có thể ở nhiều mức năng lượng khác nhau. Khi chuyển nhân từ
trạng thái kích thích về trạng thái ổn định sẽ phát xạ gamma.
. Bức xạ gamma phát ra không làm biến đổi cấu trúc bên trong nhân. Số lượng proton và
neutron trong nhân không thay đổi. Phổ bức xạ gamma là phổ vạch.

7.1.3. Bức xạ ion hóa có bản chất là hạt
7.1.3.1. Tia alpha ()
Tia alpha () là kết quả của quá trình phân rã xảy ra trong các hạt nhân nguyên tử của
những nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn gọi là phân rã alpha (). Hạt alpha là hạt nhân
nguyên tử Heli ( 42𝐻𝑒). Như vậy, sự phân rã này làm giảm khối lượng và điện tích của hạt nhân.
Phương trình biến đổi của phân rã alpha () là:
𝐴
𝑍𝑋



𝐴−4
𝑍−2𝑌

+ 42𝐻𝑒 + 𝑄

Q là năng lượng phát ra dưới dạng động năng của hạt alpha. Thông thường mỗi nguyên tố
phóng xạ phát ra hạt alpha có một mức năng lượng xác định. Song cũng có trường hợp nguyên
tố phóng xạ phát ra hai loại tia alpha có năng lượng khác nhau. Ví dụ như sự biến đổi của hạt
nhân nguyên tử

226
88𝑅𝑎



222
86𝑅𝑛

sẽ phát ra tia alpha có E = 4,77 MeV chiếm 94,3% và E =

4,59MeV chiếm 5,7%. Ta có sơ đồ phân rã như sau:
226
88𝑅𝑎

𝐴
𝑍𝑋

eV



eV

5,7%

94,3%

eV
222
86𝑅𝑛

𝐴−4
𝑍−2𝑌

Hình 7-3a. Sơ đồ phân rã 

Hình 7-3b. Sơ đồ phân rã 𝟐𝟐𝟔
𝟖𝟖𝑹𝒂

Tia alpha có một số đặc điểm như sau:
180

-

Mang điện tích dương nên có khả năng ion hóa cao.

-

Có khối lượng tương đối lớn nên khả năng xuyên sâu yếu.

-

Có tính đơn năng.

7.1.3.2.

Tia bêta ()

Tia bêta () dựa theo tính chất phân ra mà được chia thành hai loại:
Tia bêta âm (): là kết quả của quá trình phân rã bêta âm – negatron. Trong những điều
kiện nhất định, trong hạt nhân nguyên tử có Z lẻ, N lẻ và có N > Z thì nó sẽ chuyển về trạng
thái ổn định bằng cách chuyển notron thành proton và phát ra điện tử âm (bêta âm) cùng với
notrino () là một thể trung hòa điện, có năng lượng rất thấp.
Phương trình biến đổi của phân rã  được viết như sau:
𝐴
𝑍𝑋



𝐴
𝑍+1𝑌

+ 𝛽− + 𝜈 + 𝑄

Bản chất của phân rã này là:
𝑛 → 𝑝 + 𝛽− + 𝜈 + 𝑄
Sơ đồ phân rã cụ thể như sau:
32
15𝑃

𝐴
𝑍𝑋

eV)

 

100%

32
16𝑆


𝐴
𝑍+1𝑌

Hình 7-4b. Sơ đồ phân rã 𝟑𝟐
𝟏𝟓𝑷

Hình 7-4a. Sơ đồ phân rã -

Như vậy, bức xạ  (negatron) dẫn đến việc làm tăng điện tích hạt nhân lên một đơn vị
nhưng không làm thay đổi số khối.
Tia bêta dương (là kết quả của quá trình phân rã bêta dương – pozitron. Trong những
điều kiện nhất định, trong hạt nhân có Z lẻ, N lẻ và có Z > N, nó sẽ chuyển về trạng thái ổn định
bằng cách chuyển proton thành notron và phát ra positron (e+) kèm theo thể notrino ()
Phương trình biến đổi của phân rã được viết như sau:
𝐴
𝑍𝑋



𝐴
𝑍−1𝑌

+ 𝛽+ + 𝜈 + 𝑄
181

Bản chất của phân rã này là:
𝑝 → 𝑛 + 𝛽+ + 𝜈 + 𝑄
Sơ đồ phân rã như sau:
𝐴
𝑍𝑋

12
7𝑁

(10 phút)

eV)



100%

𝐴
𝑍−1𝑌

12
6𝐶

Hình 7-5b. Sơ đồ phân rã 𝟏𝟐𝟕𝑵

Hình 7-5a. Sơ đồ phân rã +

Hạt positron có khối lượng bằng khối lượng điện tử và mang điện tích dương. So với điện
tử thì positron rất không bền, nó rất dễ kết hợp với điện tử (gọi là sự hủy cặp) và phát ra hai
lượng tử gamma có năng lượng 0,51MeV.

TÁC DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA LÊN VẬT CHẤT

7.2.


Mọi bức xạ, dù dạng photon hay các hạt vi mô đều mang năng lượng, khi gặp vật chất

sẽ truyền năng lượng. Có 2 cơ chế cơ bản: kích thích và ion hoá vật chất.


Tia bức xạ được chia ra 2 loại: bức xạ dạng sóng điện từ (tia , tia X) và bức xạ là các

hạt vi mô tích điện (e-, , proton, neutron…)

7.2.1. Tác dụng của bức xạ ion hóa có bản chất sóng điện từ
Tia , tia X có bản chất là sóng điện từ với bước sóng cực ngắn, là photon năng lượng lớn.
Sản phẩm của quá trình tương tác với vật chất là những hạt vi mô tích điện có năng lượng lớn,
các hạt này sẽ ion hóa vật chất. Tùy theo mức năng lượng mà chúng tương tác với vật chất theo
một trong ba hiệu ứng sau:

7.2.1.1.

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng chủ yếu xảy ra đối với tia X và tia gamma có năng lượng từ 0,01  0,1MeV.
Dưới tác dụng của tia gamma hay tia X điện tử bị bức ra khỏi lớp vỏ điện tử của nguyên tử.
Năng lượng của photon được chia làm hai phần, một phần dùng để ion hóa nguyên tử, phần còn
lại làm động năng Eđ cho điện tử. Giá trị này được xác đinh như sau:
𝐸đ = ℎ𝜈 − 𝐸0
182

Trong đó: ℎ𝜈 là năng lượng của photon; 𝐸0 là năng lượng cần thiết để đánh bật điện tử ra
khỏi quĩ đạo.
Quang điện tử có năng lượng lại tiếp tục gây ra sự ion hóa lên các nguyên tử vật chất khác.
Sơ đồ hiệu ứng mô tả như sau:

Hình 7-6. Hiệu ứng quang điện

Trên sơ đồ trên ta thấy rằng, khi điện tử bị đánh bật ra khỏi quỹ đạo thì điện tử khác ở vành
ngoài có thể thế chỗ. Năng lượng dư thừa do sự chênh lệnh năng lượng của hai quỹ đạo sẽ phát
ra dưới dạng một photon. Giá trị năng lượng này phụ thuộc vào các quỹ đạo và số hiệu nguyên
tử nên photon thứ cấp này có giá trị xác định được gọi là bức xạ đặc tính (Hình 6-6b)

7.2.1.2.

Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng này chủ yếu xảy ra với tia gamma, tia X có năng lượng lớn 0,1  2 MeV. Do có
năng lượng cao hơn các photon gây hiệu ứng quang điện nên khi tương tác, các photon này
không những đánh vật điện tử ra khỏi quỹ đạo của nó mà còn bị lệch hướng tạo thành một
photon thức cấp có năng lượng nhỏ hơn năng lượng tia ban đầu.
Sơ đồ hiệu ứng được mô tả như sau:

Hình 7-7. Hiệu ứng compton
183

Điện tử bị đánh bật ra khỏi quỹ đạo được gọi là điện tử Compton cùng với tia thứ cấp, tùy
thuộc vào năng lượng của chúng có mà tiếp tục gây ra sự ion hóa hay bị mất dần năng lượng
trên đường đi của nó.

7.2.1.3.

Hiệu ứng tạo cặp electron và positron

Hiệu ứng tạo cặp xảy ra với tia gamma và tia X có mức năng lượng E bằng hoặc lớn hơn
1,022MeV khi tương tác với hạt nhân có số Z lớn. Khi đến gần hạt nhân, photon tương tác với
trường hạt nhân và biến mất làm xuất hiện 1 electron (e-) và 1 positron (e+).
Năng lượng của quá trình tạo cặp:
ℎ𝜈 = 𝐸đ+ + 𝐸đ− = 1,022 𝑀𝑒𝑉
Trong đó 𝐸đ+ , 𝐸đ− là động năng của positron và electron: 1,022 = 0,511 x 2 là phần năng
lượng tương đương với khối lượng tĩnh của hai hạt này theo hệ thức Einstein.

e-

h

+
e+

Hình 7-8. Hiệu ứng tạo cặp

 Electron có thể tồn tại dưới dạng tự do hoặc kết hợp với một nguyên tử để tạo thành i7n.
 Positron không thể tồn tại ở trạng thái tự do được, khi tốc độ của positron giảm đến mức
nhất định, nó sẽ kết hợp với một electron trong môi trường.
 Sự hủy cặp tạo thành 2 bức xạ điện từ gamma có năng lượng 0,511MeV phóng ra theo
hướng đối nhau.

7.2.2. Tác dụng của bức xạ ion hóa có bản chất là hạt
Lực tác dụng khi tương tác tuân theo định luật Coulumb:
𝐹=𝑘

𝑞𝑞′
𝑑2

Trong đó q và q’ lần lượt là điện tích của các hạt, d là khoảng cách giữa chúng.
Như vậy, xác suất tương tác phụ thuộc đồng thời vào vào mật độ, kích thước và
điện tích hạt tới và các thành phần cấu tạo vật chất
7.2.2.1.

Tương tác với điện tử quỹ đạo
184

Khi tương tác với vật chất, các bức xạ dạng hạt mang điện tích dễ dàng truyền một phần
năng lượng cho điện tử gây kích thích điện tử (hình 7-9a) hoặc gây ion hóa vật chất (hình 79b).
+

a

-

+

b

c
+

+

Hình 7-9. Các dạng tương tác với điện tử quỹ tạo của
tia bức xạ dạng hạt

Cần lưu ý:
 Năng lượng không được chuyển giao toàn bộ năng lượng cho một lần va chạm.
 Tia bị lệch hướng ít nhiều tùy thuộc vào lực tương tác và tiết diện tương tác.
 Trên đường đi của tia tạo nhiều cặp ion mang năng lượng, có khả năng phản ứng cao.
 Khả năng ion hóa được biểu diễn bởi khái niệm độ ion hóa tuyến tính, được đo bằng số
cặp ion do bức xạ dạng hạt mang điện tạo ra trên một đơn vị chiều dài dọc theo đường đi của
nó.
 Với một hạt vi mô xác định, xác suất tương tác để gây nên ion hóa tỷ lệ với khối lượng,
điện tích và tốc độ hạt tới. Điện tích và khối lượng càng lớn, tốc độ càng bé thì khả năng ion
hóa càng cao.
Trong y sinh học, người ta dùng khái niệm
hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (linear
energy transfer) để diễn đạt giá trị năng lượng
của chùm tia đã chuyển giao cho vật chất.
𝐿𝐸𝑇 =

Δ𝐸
Δ𝑥

e-

Δ𝐸 là giá trị năng lượng chùm tia hoặc

R

photon đã chuyển giao trên Δ𝑥 chiều dài của

Hình 7-10. Đường đi và quãng chạy R của

quỹ đạo. Đơn vị đo của LET là J/m hoặc

bức xạ ion hóa dạng hạt xuyên qua vật

keV/mm.

185

7.2.2.2.

Tương tác với hạt nhân nguyên tử

Khi một bức xạ dạng hạt mang điện tới
gần nhân nguyên tử vật chất thì chúng sẽ
tương tác với nhau (đẩy hoặc hút).
Khối lượng của hạt tới nhỏ hơn nhân

+

nguyên tử rất nhiều nên quỹ đạo và vận tốc
chùm hạt bị thay đổi, tạo ra chuyển động cong.
Chùm hạt bị gia tốc sau khi tương tác với
hạt nhân tạo ra bức xạ photon.
Hiện tượng này có ý nghĩa đặc biệt quan
trọng đối với chùm hạt bêta. Bức xạ photon

Hình 7-11. Tương tác của bức xạ ion hóa dạng

phát ra được gọi là bức xạ hãm, có năng lượng

hạt với hạt nhân nguyên tử

phụ thuộc vào độ giảm vận tốc của chuyển
động.

7.2.3. Những đơn vị đo liều lượng cơ bản
Trong thực hành y học hạt nhân, người ta đánh giá tác dụng của chùm tia ion hóa lên vật
chất nói chung và lên cơ thể sống nói riêng bằng đại lượng được gọi là liều lượng bức xạ. Cơ
sở để định nghĩa liều lượng bức xạ là dựa trên kết quả tương tác giữa tia ion hóa với vật chất.
Trong thực tế, tùy trường hợp mà người ta sử dụng hai loại liều lượng: Liều hấp thụ và liều
chiếu


Liều hấp thụ: Liều hấp thụ D là tỷ số giữa năng lượng E mà một đối tượng hấp thụ từ

chùm tia tới và khối lượng m của nó:
𝐷=

∆𝐸
∆𝑚

Đơn vị của liều hấp thụ trong hệ SI là J/kg, được đặt tên là Gray (Gy). Gray là liều hấp thụ
của một Jun bởi một Kg vật chất khi bị chiếu bởi bất kỳ một chùm bức xạ ion hóa nào.
Một đơn vị khác của liều hấp thụ là Rad. Rad là liều hấp thụ 100erg bởi 1gam vật chất khi
bị chiếu bởi bất kỳ một chùm bức xạ ion hóa nào. Giữa Gray và Rad có mối quan hệ như sau:
1rad =0,01Gy hay 1Gy = 100rad
Suất liều hấp thụ là tỷ số giữa liều hấp thụ D và thời gian chiếu t để có liều hấp thụ ấy:
𝑃=

∆𝐷
∆𝑡

186

Đơn vị của suất liều hấp thụ là Gy/s. Ta có:
1𝐺𝑦⁄𝑠 = 1

𝐽
= 1 𝑊 ⁄𝑘𝑔
𝐾𝑔. 𝑠

Ngoài ra còn dùng các đơn vị rad/s, rad/h.


Liều lượng chiếu: liều lượng chiếu chỉ dùng cho tia và tia X. Liều chiếu là đại lượng

cho biết tổng số điện tích của các ion cùng dấu được tạo ra trong một đơn vị khối lượng không
khí ở điều kiện tiêu chuẩn dưới tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp của tia gamma hoặc tia X tương
tác với các nguyên tử, phân tử khí.
𝐷𝑐 =

∆𝑄
∆𝑚

Đơn vị đo của liều chiếu trong hệ SI là C/kg. Đó là liều chiếu của tia gamma hoặc tia X
vào không khí ở điều kiện chuẩn thì trực tiếp hoặc gián tiếp tạo ra một lượng điện tích tổng
cộng là 1C trong 1kg không khí. Đơn vị khác của liều chiếu là Roentgen (R), là liều chiếu của
tia gamma hoặc tia X vào không khí ở điều kiện chuẩn sẽ tạo ra 2,08.109 cặp ion/1cm3 hoặc
1,61.1012 cặp ion/1g không khí. Giữa C/kg và R có mối quan hệ như sau:
1R = 2,57976.10-4 C/kg hay 1 C/kg  3876 R
Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian:
𝑃𝑐 =

∆𝐷𝑐
∆𝑡

Đơn vị của suất liều chiếu là C/kg.s hay A/kg. Ngoài ra còn dùng các đơn vị R/s hoặc R/h.
Trong phóng xạ sinh học, người ta thấy rằng khi năng lượng hấp thụ như nhau nhưng với
những bức xạ khác nhau sẽ gây ra những hiệu ứng sinh học khác nhau. Để diễn đạt sự khác
nhau đó, người ta dùng một đơn vị đo liều khác là liều tương đương. Đơn vị của liều tương
đương làm REM. Rem là liều lượng của bất kỳ bức xạ nào gây ra hiệu ứng sinh học giống như
hiệu ứng sinh học khi chiếu 1R bức xạ gamma hoặc bức xạ roentgen. Ngày nay, trong hệ SI
người ta dùng đơn vị đo liều tương đương là Sievert (Sv). 1Sv = 100REM

7.3.

TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA
Cơ thể sống là một tập hợp có tổ chức và liên kết chặt chẽ giữa các nguyên tử phân tử. Về

bản chất hóa học, cơ thể sống hay chất sống đều tập hợp của các nguyên tử và phân tử hóa học.
Vì vậy, khi chịu tác động của bức xạ ion hóa thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà cơ thể cũng
như chất sống luôn chịu những tổn thương nhất định.
187

Quá trình tác động của bức xạ ion hóa lên cơ thể sống hay chất sống trải qua ba giai đoạn
chính:
 Giai đoạn vât lý: Bức xạ ion hóa gây ra sự ion hóa và kích thích các phân tử và nguyên
tử. Giai đoạn này xảy ra rất nhanh, từ 10-17 đến 10-15 giây.
 Giai đoạn hóa học: Các phân tử và nguyên tử bị ion hóa và kích thích rất kém bền và
có hoạt tính hóa học mạnh. Chúng tác dụng lên các phân tử lân cận và giữa chúng với nhau.
Giai đoạn này kéo dài từ một giây đến nhiều giờ.
 Giai đoạn sinh học: Các đại phân tử sinh học bị biến đổi gọi là những tổn thương hóa
sinh. Đến giai đoạn này lại xảy ra hai chiều hướng:
 Các tổn thương được phục hồi bởi các yếu tố bảo vệ và cơ chế tự bảo vệ của cơ
thể, không biểu hiện hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa.
 Các tổn thương không thể phục hồi bởi các yếu tố bảo vệ và cơ chế tự bảo vệ
của cơ thể, khi đó có thể quan sát thấy hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa.
Chiếu tia phóng xạ
Tác dụng gián tiếp

Tác dụng trực tiếp

H2O
Giai

O2

đoạn
hóa lý

Tạo ion và gốc tự do.

-6

(10 s)

Phân tử bị kích thích
Tác dụng lên các phân tử sinh học quang trọng
và các cơ quan tử của tế bào

Rối loạn chuyển hóa và chức năng tế bào
Giai
đoạn
sinh

Gây ra các hiệu ứng sinh học

học

(Tổn thương hoặc tử vong)
Hình 7-12. Sơ đồ tổng quát về tác dụng sinh học của tia phóng xạ

188

7.3.1. Cơ chế chung tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa
7.3.1.1. Cơ chế tác dụng trực tiếp
Năng lượng của bức xạ trực tiếp truyền cho các phân tử cấu tạo nên các tổ chức sống mà
chủ yếu là các đại phân tử hữu cơ, gây nên:
 Các quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử.
 Các phản ứng hoá học xảy ra giữa các phân tử mới tạo thành sau khi bị kích thích hoặc
ion hoá.
Hậu quả là các phân tử hữu cơ quan trọng trong tổ chức sống bị tổn thương gây nên các tác
dụng sinh học tiếp theo như tổn thương chức năng hoạt động, gây đột biến gen, huỷ diệt tế
bào...
Sơ đồ tóm tắt các quá trình đó như sau:
 Các phân tử bị kích kích:
AB  AB*  AB + h
AB  AB*  A* + B’ hoặc A’ + B*
 Các phân tử bị ion hóa:

 AB  (AB)+ + e
A+, B’

A’, B+
A-, B’

AB + e  (AB)A’, BCác quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử, các phản ứng hoá học gây nên
các tổn thương tại đó và sau có thể lan truyền ra các phân tử khác ở xung quanh.
Thuyết điểm nóng (Deseauer): Năng lượng bức xạ được hấp thụ tập trung vào những điểm
rất nhỏ trong phân tử  nhiệt độ tăng  cấu trúc phân tử bị phá huỷ. Ví dụ:
 Trọng lượng một phân tử hữu cơ 15.000 đvnt là:
15.000 x 1,66.10-24 = 2,5.10-20g
 Năng lượng hấp thụ chùm tia là 100eV = 100 x 1,6.10-19 J. Nhiệt độ tại chỗ tăng lên:
100𝑒𝑉
100 𝑥 1,6. 10−19 𝐽
=
= 1500 𝐶
2,5. 10−20 𝑔 2,5. 10−20 𝑔[4,18]
189