Tia phóng xạ HUSHTĐ
1. Tia γ hay tia X 1
2. Tia bêta (β) 1
3. Notron chậm và notron nhiệt 5
4. Notron nhanh 10
5. Proton 10
6. Tia anpha (α) 10-20
Đơn vị của liều tương đương là Rem.
(Roentgen Equivalent for Man)
Rem là liều lượng của bất kỳ tia phóng xạ nào, gây ra hiệu ứng sinh học giống như hiệu
ứng sinh học khi ta chiếu tia Roentgen hay gamma với liều lượng là 1 Roentgen.
Công thức qui đổi giữa Rem và Rad:
Liều chiếu (Rem) = Liều chiếu (Rad) . HUSHTĐ (9.1)
Với tia Roentgen hay γ có HUSHTĐ = 1 thì 1Rad=1Rem còn với proton thì
1Rad=10Rem.
- Độ phóng xạ: Đơn vị đo độ phóng xạ là Curie (Ci).
Curie là độ phóng xạ của một nguồn, trong một giây có 3,7.1010 hạt nhân nguyên tử bị
phân rã. Đơn vị nhỏ hơn là mili Curie (1mCi=10-3Ci) và micro Curie (1μCi=10-6Ci).
II. Tương tác của tia Roentgen và tia γ đối với vật chất
Tùy theo mức năng lượng của tia mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3 hiệu ứng
sau:
h
γ
Photon
e-
Quang điện tử
e-
Nguyên tử vật chất
Hình 9.2: Hiệu ứng quang điện
1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng chủ yếu xảy ra đối với tia X và γ
có năng lượng từ 0,01→0,1MeV. Vì photon
có năng lượng thấp nên không thể xuyên sâu
mà chỉ va chạm với điện tử (e-) ở vành ngoài.
Photon đã truyền toàn bộ năng lượng cho
điện tử và đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo
của nó để trở thành điện tử tự do, gọi là
quang điện tử. Năng lượng của quang điện tử
được xác định:
h
γ
Photon h
γ
'
e-
điện tử
Compton
e-
Nguyên tử vật chất
E=hγ - Eo (9.2)
hγ: Năng lượng của photon
E0: Năng lượng cần thiết để đánh bất
điện tử ra khỏi vành (theo hình 9.2 thì
điện tử ở vành n=2). Quang điện tử có
năng lượng lại tiếp tục gây ra sự ion hóa
các nguyên tử vật chất khác.
Hình 9.3: Hiệu ứng Compton
2. Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng chủ yếu xảy ra với tia phóng xạ có năng lượng lớn hơn 0,1MeV→5MeV.
Do có năng lượng cao hơn so với hiệu ứng quang điện nên photon không những đánh bật
điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó (gọi là điện tử Compton), photon bị mất một phần năng
lượng và bị lệch hướng (gọi là tia thứ cấp có năng lượng là hγ').
Điện tử Compton và tia thứ cấp tùy thuộc vào năng lượng mà chúng có, lại tiếp tục gây
ra sự ion hóa tiếp theo hay bị mất dần năng lượng trên đường đi của nó.
3. Hiệu ứng tạo cặp electron (e-) và pozitron (e+)
Hiệu ứng tạo cặp xảy ra với tia X và tia γ có
mức năng lượng E>1,022MeV. Khi đó photon
sẽ xuyên sâu vào hạt nhân nguyên tử, đánh bật
ra 1 electron (e-) và 1 pozitron (e+). Hai hạt này
có khối lượng bằng nhau nhưng mang điện tích
trái dấu nên dễ dàng kết hợp với nhau, gây ra sự
hủy cặp, giải phóng ra năng lượng E=0,511MeV
dưới dạng tia γ. Tia γ được tạo thành lại tiếp tục
tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang điện
hay Compton.
h
γ
Photon
e-
e+
Nguyên tử vật chất
Hình 9.4: Hiệu ứng tạo cặp
III. Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt đối với vật chất
1. Tương tác của bức xạ α đối với vật chất
Khi hạt α đi qua môi trường vật chất nó sẽ tương tác với các nguyên tử của vật chất và
đánh bật điện tử ra khỏi nguyên tử. Điện tử bị đánh bật ra mang điện tích âm, gọi là ion
âm còn nguyên tử bị mất điện tử nên mang điện tích dương, gọi là ion dương. Đó là hiện
tượng ion hóa vật chất. Trong môi trường không khí, năng lượng cần thiết để tạo ra một
cặp ion mang điện tích trái dấu là 32,5eV. Một electron vôn (1eV) là năng lượng của một
điện tử có được khi qua thế hiệu 1 vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1 xentimét.
Nếu năng lượng của hạt α chưa đủ để đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó thì hạt α
chỉ làm cho điện tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, tức là hạt α
đã gây ra hiện tượng kích thích điện tử. Quá trình hạt α trực tiếp gây ra hiện tượng ion
hóa thì gọi là sự ion hóa trực tiếp còn điện tử sau khi bị đánh bật ra nếu có năng lượng
cao lại gây ra sự ion hóa nguyên tử tiếp theo, gọi là sự ion hóa gián tiếp.
2. Tương tác của hạt bêta (β) đối với vật chất
Hạt β cũng giống như hạt α, khi va chạm với nguyên tử của vật chất sẽ gây ra hiện tượng
ion hóa hoặc hiện tượng kích thích. Khả năng ion hóa của hạt β yếu hơn nhiều so với hạt α
vì hạt β có điện tích ít hơn so với hạt α.
Ví dụ: Hạt α và hạt β có cùng một mức năng lượng là 1MeV nhưng hạt α tạo ra được
7500 cặp ion trên 1mm đường đi còn hạt β chỉ tạo được 53 cặp ion trên 1Cm đường đi
của nó.
3. Tương tác của notron (n) đối với vật chất
Hạt notron trung hòa điện nên không có khả năng ion hóa và vì thế nó có thể xuyên qua
nhiều lớp vỏ điện tử để tiến đến gần hạt nhân nguyên tử theo 3 kiểu sau đây:
- Kiểu khuyếch tán đàn hồi, chủ yếu xảy ra đối với notron trung gian có
E=1keV→500keV. Trong khuyếch tán đàn hồi, notron truyền một phần năng lượng cho
hạt nhân nguyên tử, sau đó notron bị đổi hướng và năng lượng giảm dần.
- Kiểu khuyếch tán không đàn hồi xảy ra đối với notron nhanh có E=1MeV→10MeV.
Sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử, làm cho hạt nhân nguyên tử bị kích thích còn
bản thân notron cũng bị đổi hướng và năng lượng giảm dần.
- Kiểu thâu đoạt notron xảy ra đối với notron nhiệt có E=0,025eV. Khi hạt nhân thâu đoạt
notron nó sẽ trở thành hạt nhân mới và ở trạng thái kích thích. Sau đó hạt nhân bị vỡ ra
(hay bị phân hạch) thành hai hạt nhân kèm theo sự phát ra hạt notron.
IV. Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống
Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống lần lượt phải trải qua hai giai đoạn sau:
- Giai đoạn hóa lý: Giai đoạn này có thời gian tồn tại rất ngắn, từ 10-16 đến 10-6 giây.
Trong giai đoạn này các phân tử sinh học chịu sự tác dụng trực tiếp hoặc tác dụng gián
tiếp của tia phóng xạ. Thuyết tác dụng trực tiếp cho rằng đối tượng bị chiếu xạ (có thể là
cơ thể, mô hay cơ quan, tế bào, phân tử nghiên cứu) sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của
tia và dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Thuyết tác dụng gián tiếp lại cho rằng đối tượng
bị chiếu xạ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà chúng tương tác với các sản
phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước nên dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Đối với
những thí nghiệm invitro thì quan niệm trên dễ phân biệt còn với thí nghiệm invivo, các
nhà nghiên cứu lại qui ước: Khi bị chiếu xạ nếu là tác dụng trực tiếp thì các phân tử hữu
cơ sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn
thương chức năng. Nếu là tác dụng gián tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ không trực tiếp
hấp thụ năng lượng của tia mà tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ
nước và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng.
Trong giai đoạn hóa lý một số phân tử sinh học quan trọng như enzyme, nucleoprotein đã bị
tổn thương, người ta gọi đó là những tổn thương hóa sinh.
- Giai đoạn sinh học: Giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến hàng chục năm sau
khi bị chiếu xạ. Trong giai đoạn sinh học những tổn thương hóa sinh không hồi phục
được sẽ kéo theo những tổn thương chuyển hóa, dẫn đến những tổn thương hình thái và
chức năng. Có thể tóm tắt cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống theo
sơ đồ sau:
Tác dụng trực tiếp
Giai
đoạn
hóa
lý
(
)
s10 6−
Chiếu tia phóng xạ
Tác dụng gián tiếp
H2O
O2
Tạo ion và gốc tự do.
Phân
t
ử bị thích thích
Tác dụng lên các phân tử sinh học quan
trọng và các cơ quan tử của tế bào
Giai
đoạn
sinh
học
Rối loạn chuyển hóa và chức năng tế bào
Gây ra các hiệu ứng sinh học
(tổn thương hoặc tử vong)
Hình 9.5: Sơ đồ tổng quát về tác dụngáinh học của tia phóng xạ
V. Tác dụng hóa học của tia phóng xạ
Trong cơ thể sống, nước vừa là môi trường vừa tham gia vào thành phần cấu trúc của tế
bào. Ở người, nước chiếm trung bình 65%, cá biệt có mô nước chiếm 85%. Do vậy, khi
chiếu tia phóng xạ lên cơ thể sống sẽ gây ra hiện tượng ion hóa các phân tử nước:
H2O+hγ→H2O+ + e- Các ion
H2O + e-→ H2O-
H2O+ → H+ + OHogốc tự do
H2O- → OH- + Ho
H2O + hγ → H2O+ + e- → H2O* → Ho + OHo
Gốc tự do Ho có thời gian sống ngắn từ 10-6→10-5 giây. Trong thời gian này nó có thể
tham gia vào các phản ứng:
H
o + Ho → H2
H
o + OHo → H2O
Khi có oxy hòa tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng:
H
o + O2 →
o
2
HO
+ → H
o
2
HO o
2
HO 2O2
H
o + → H
o
2
HO 2O2 (hidro peroxit)
Hidro peroxit là một độc tố đối với tế bào.
Gốc tự do OHo tham gia vào các phản ứng:
- Phản ứng oxy hóa: Fe++ + OHo → Fe+++ + OH-
- Phản ứng tách nguyên tử hidro ra khỏi phân tử hữu cơ:
CH3 - CH2OH + OHo → CH3 - CHOH + H2O
- Phá vỡ liên kết đôi:
CH2 = CH + OHo → OH - CH2 - CH
⏐ ⏐
CN CN
Như vậy, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã xảy ra quá trình phân ly phóng xạ nước dẫn
tới hình thành nên các trung tâm hoạt động là những gốc tự do, chúng có khả năng tham
gia vào các phản ứng rất cao. Ngoài ra, trong điều kiện có oxy sẽ dẫn tới hình thành nên
H2O2 là một độc tố đối với tế bào.