Bài giảng Lý sinh Y học - Bức xạ ion hóa

BỨC XẠ ION HOÁ Bộ mụn Lý sinh Y học Trường Đại học Y khoa Thỏi Nguyờn Mục tiờu: 1. Định nghĩa được hiện tượng bức xạ ion hoỏ. 2. Trỡnh bày được cỏc dạng phõn ró phúng xạ thường gặp. 3. Trỡnh bày được cỏc tớnh chất của tia X. 1. Định nghĩa: - Bức xạ ion hoỏ là những bức xạ mà trong quỏ trỡnh tương tỏc với vật chất sẽ tạo nờn cỏc ion õm, ion dương và cỏc điện tử tự do một cỏch trực tiếp hay giỏn tiếp. - Bức xạ ion hoỏ cú thể cú sẵn trong tự nhiờn (bức xạ tự nhiờn) hoặc do con người tạo ra (bức xạ nhõn tạo).Trong y sinh học, người ta quan tõm đến hai loại bức xạ: + Cỏc tia phúng xạ. + Tia Rơnghen (tia X). KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BỨC XẠ ION HOÁ BỨC XẠ LÀ HèNH THỨC TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TỪ MỘT VẬT THỂ NHẤT ĐỊNH RA MễI TRƯỜNG. Cể HAI DẠNG BỨC XẠ: BỨC XẠ KHễNG ION HOÁ VÀ BỨC XẠ ION HOÁ VÍ DỤ: 1. Bức xạ mặt trời: Tia hồng ngoại và tử ngoại mang năng lượng từ mặt trời lan toả vào mụi trường làm nhiệt độ khớ quyển núng lờn. 2. Bếp lửa (củi, than, khớ) bức xạ năng lượng dưới dạng tia hồng ngoại và cỏc photon từ phản ứng oxy hoỏ cellulose (gỗ, than ) Ta dựng nú để đun nấu... Hiệu ứng của hai dạng bức xạ trờn là hiệu ứng sinh nhiệt: 1: E =hc/l 2: E= m (kg)*C(J/kg) Khụng cú khả năng đõm xuyờn Bức xạ ion hoỏ: alpha, beta, gamma, neutron, proton, tia X - Là bức xạ khụng sinh nhiệt! Bức xạ ion húa Bức xạ ion húa 2. Phóng xạ. 2.1. Hiện tợng phóng xạ. Là hiện tợng hạt nhân của nguyên tử tự biến đổi (tự phân rã) để trở thành hạt nhân của nguyên tố khác hoặc từ 1 trạng thái có mức năng lợng cao về trạng thái có mức năng lợng thấp hơn. Trong quá trình biến đổi đó hạt nhân phát ra tia có năng lợng cao gọi là tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân. Cấu tạo nguyờn tử 2.2. Cỏc dạng phõn ró phúng xạ thường gặp. * Phõn ró bờta õm (negatron -): Trong điều kiện nhất định, trong hạt nhõn cú những đồng vị cú số nơtron nhiều hơn số proton cú thể xảy ra hiện tượng biến một nơtron thành một proton đồng thời phỏt ra một hạt electron (hạt -). Sơ đồ phõn ró negatron (-) Sơ đồ phõn ró phúng xạ của P32 zX A Z+1Y A - 15P 32 (14,2 ngày) 16S 32 - (1,71 MeV) 100% Phương trỡnh biến đổi: zX A z+1Y A +- + Q Bỏn chất của phõn ró: np +- + Q * Phõn ró bờta dương ( Pozitron + ). Trong hạt nhõn của những đồng vị cú số proton nhiều hơn số nơtron cú thể xảy ra hiện tượng biến một proton thành một nơtron đồng thời phỏt ra hạt pozitron (+). Hạt pozitron cú khối lượng đỳng bằng khối lượng của điện tử, điện tớch bằng điện tớch của điện tử nhưng trỏi dấu, vỡ vậy nú được gọi là điện tử dương. Sơ đồ phõn ró + Sơ đồ phõn ró N13 zX A 7N 13 (10 phút) Z-1Y A + 6C 13 + (1,20MeV) 100% Phương trỡnh biến đổi: zX Az-1Y A + + + Q Bản chất phõn ró: p n + + + Q * Phõn ró anpha (). - Loại phõn ró này chỉ xảy ra trong phạm vi cỏc hạt nhõn của những nguyờn tố cú khối lượng nguyờn tử lớn. Trong quỏ trỡnh này, hạt nhõn phỏt ra hạt anpha (hạt nhõn của nguyờn tử Heli). Sự phõn ró này làm khối lượng giảm 4, điện tớch giảm 2. Sơ đồ phõn ró  Sơ đồ phõn ró của 88Ra 226 zX A Z-2Y A-4  88Ra 226 1 (4,61 MeV) 6,5%  (0,18 MeV) 2 (4,79 MeV) 93,5% 86Rn 222 Phương trỡnh biến đổi: zX A z-2Y A-4 + 2He 4 + Q - Cỏc hạt  phỏt ra từ cựng 1 loại phõn ró của cựng 1 loại hạt nhõn cú năng lượng giống nhau tớnh đơn năng của chựm tia  Rn* * Phỏt xạ tia gamma () từ hạt nhõn. - Trường hợp hạt nhõn chuyển từ trạng thỏi bị kớch thớch về trạng thỏi cơ bản hay về trạng thỏi bị kớch thớch ứng với mức năng lượng thấp hơn, từ hạt nhõn sẽ phỏt ra tia gamma. - Bản chất tia gamma là súng điện từ cú bước súng cực ngắn. - Sơ đồ phõn ró phúng xạ của Co và Th. Ghi chú: 2 (5,21MeV) 0,4% 3 (5,34MeV) 88% 4 (5,42 MeV) 71% 27Co 60 (5,2 năm) 28Ni 60 - (0,31MeV) 100% 2,50 MeV 1,33 MeV 0 MeV 90Th 228 (1,9 năm) 88Ra 224 1 (5,17MeV) 0,2% 0,25MeV 0,22MeV 0,08MeV 0 MeV 2 3 4 1 2 1 2 3 4 Lưu ý: - Quỏ trỡnh phỏt tia  khụng làm thay đổi cấu tạo của hạt nhõn mà chỉ làm thay đổi trạng thỏi năng lượng của nú. - Khi cú hiện tượng phúng xạ xảy ra ở 1 hạt nhõn, hạt nhõn đú cú thể bị biến đổi nhiều hơn 1 lần, do đú cú thể phỏt ra nhiều tia phúng xạ. Vớ dụ: (, ), (, ) 2.3. Tớnh chất của tia phúng xạ  Tớnh chất hạt anpha  Tớnh chất hạt bờta  Tớnh chất tia gamma Tớnh chất của hạt alpha  Hạt alpha cú khối lượng lớn, phỏt ra từ 1 chất phúng xạ thỡ cú năng lượng như nhau.  Hạt alpha cú hai đơn vị điện tớch dương, năng lượng giảm đI sau mỗi lần ion hoỏ, cuối cựng nhõn thờm 2 điện tử để trở thành nguyờn tử Heli.  Hạt alpha cú khả năng ion hoỏ rất lớn, trung bỡnh tạo ra 40000 cặp ion/1cm quóng chạy trong chất khớ, càng về cuối khả năng ion hoỏ càng tăng.  Hạt alpha là hạt cú khả năng đõm xuyờn kộm nhất, quóng chạy trong khụng khớ 2,5-9 cm; trong cơ thể  0,04 mm Tớnh chất của cỏc hạt bờta  Hạt bêta là hạt có khối lợng nhỏ, khi tơng tác với vật chất quĩ đạo là đờng gấp khúc.  Hạt bêta có một đơn vị điện tích, bị tác dụng trong từ trờng, quĩ đạo là một đờng cong.  Khả năng ion hóa trực tiếp kém hơn hạt alpha, trung bình tạo ra 75 cặp ion/1cm quãng chạy.  Hạt bêta 3.5MeV đi đợc gần 11m trong không khí hoặc 17mm trong tế bào  Khả năng đâm xuyên của hạt bêta lớn hơn hạt alpha Tớnh chất tia Gamma  Tia gamma là dũng photon năng lượng lớn, bước súng ngắn, Emax= 1,1-3,5 Mev.  Khả năng đõm xuyờn lớn, trong khụng khớ đi được từ 10m đến hàng trăm một, dễ dàng xuyờn qua cơ thể người (dựng chỡ và bờtụng để cản tia).  Khả năng ion hoỏ khụng cao.  Khi tỏc động vào mụi trường vật chất sẽ truyền hết năng lượng qua một lần tương tỏc, sản phẩm là cỏc hạt vi mụ tớch điện lại tiếp tục ion hoỏ vật chất tia gamma cú tỏc dụng ion hoỏ giỏn tiếp vật chất.  Bản chất là súng điện từ, khụng bị từ trường tỏc dụng, đường đI là một đường thẳng. SO SÁNH KHẢ NĂNG ĐÂM XUYấN CỦA CÁC DẠNG BỨC XẠ TỜ GIẤY TẤM NHễM TẤM CHè Bấ TễNG A B  VÀ TIA X N 3. Bức xạ Rơnghen (X) 3.1. Hiện tượng bức xạ tia X. - Năm 1895 nhà bỏc học Rơnghen người Đức tỡnh cờ tỡm ra tia X. - Tia X cú ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau: kỹ thuật, quõn sự, sinh học và y học... - Trong Y học: + Chẩn đoỏn: khai thỏc đặc tớnh phản ỏnh cấu trỳc vật chất của chựm tia sau khi xuyờn qua lớp vật chất của cỏc tổ chức trong cơ thể. + Điều trị: khai thỏc tỏc dụng của tia lờn cỏc tổ chức sống. 3.2. Tớnh chất của tia X. - Bản chất của tia X là một loại súng điện từ cú bước súng  = 10-12 10-8m => Nú cú đấy đủ tớnh chất như 1 nguồn sỏng. - Tia X cú cường độ lớn do đú cú khả năng đõm xuyờn qua mụi trường vật chất. - Tia X cú khả năng ion hoỏ cỏc chất khớ. - Tia X cú khả năng gõy phỏt quang một số muối. - Tia X cú khả năng gõy ra cỏc phản ứng hỗn hợp làm biến màu một số muối.