PHÂN TÍCH và ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG địa vật lý hạt NHÂN TRONG NGHIÊN cứu môi TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
---------------------------

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG ĐỊA VẬT LÝ HẠT NHÂN
TRONG NGHIÊN CỨU MƠI TRƯỜNG
PHẠM ĐÌNH CHÍNH
Chun ngành
GVHD
Khóa

: Kỹ thuật Địa vật lý
: TS. Dương Văn Hào
: 43

Hà Nội, 2022


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................3
PHẦN I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ HẠT NHÂN ...........4
I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ ION HÓA..............................................................4
1. Định nghĩa .....................................................................................................................4
2. Các khái niệm cơ bản liên quan đến bức xạ ion hóa. ....................................................4
II. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT .....................................................................7
1. Tương tác của hạt alpha với vật chất .............................................................................7
2. Tương tác của hạt beta với vật chất ...............................................................................7
3. Tương tác của tia gamma và tia x với vật chất ..............................................................8
4. Tương tác của hạt neutron với vật chất .......................................................................11
III. HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ......................................................................14
1. Các cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa......................................................................14

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ ...........................................14
3. Các tổn thương do bức xạ gây ra .................................................................................15
4. Hiệu ứng tất nhiên và hiệu ứng ngẫu nhiên .................................................................17
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ ...........................................................................20
1. Các phương pháp gamma ............................................................................................20
2. Các phương pháp nơtron .............................................................................................23
PHẦN II. ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG
NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ............................................................................................25
1. Ứng dụng trong đo lường và thích ứng với biến đổi khí hậu ......................................25
2. Giảm phát thải khí nhà kính trong nơng nghiệp với sự trợ giúp của kỹ thuật hạt nhân
.........................................................................................................................................26
3. Mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ mơi trường quốc gia ...............................27
KẾT LUẬN ............................................................................................................................30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................31


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển chung của Kỹ thuật hạt nhân, Địa vật lý hạt nhân từ khi hình thành
đến nay đã có sự phát triển mạnh mẽ. Hiện nay người ta đã nghiên cứu và ứng dụng thực tế
các phương pháp địa vật lý hạt nhân trong nhiều lĩnh vực của sản xuất cuộc sống: Địa chất,
khoáng sản; dầu khí, cơng nghiệp, nơng nghiệp, mơi trường.
Mơi trường đang là vấn đề nóng trong giai đoạn phát triển hiện nay. Địa vật lý hạt nhân
cũng góp phần khơng nhỏ vào nghiên cứu môi trường.
Trong khuôn khổ bài tiểu luận này sẽ phân tích và đánh giá khả năng ứng dụng địa vật lý
hạt nhân trong nghiên cứu môi trường.


PHẦN I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ HẠT NHÂN
I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ ION HÓA
1. Định nghĩa

Bức xạ: Bức xạ là hiện tượng phát một dạng năng lượng bất kỳ (dạng hạt hoặc dạng tia)
vào trong một mơi trường vật chất.
Ví dụ: Bức xạ nhiệt, bức xạ tử ngoại, bức xạ hồng ngoại, bức xạ sóng viba, …
Bức xạ ion hóa: Bức xạ ion hóa là các hạt hoặc tia bất kỳ có năng lượng đủ lớn để bứt một
hoặc một số điện ra khỏi nguyên tử, phân tử, ion tạo ra hiện tượng ion hóa trong mơi trường
mà nó truyền qua.
Ví dụ: Hạt alpha, hạt beta, neutron, tia X, Gamma và các bức xạ điện từ có năng lượng lớn
hơn 12,4eV.
Phân loại bức xạ ion hóa
- Bức xạ hạt: Hạt vi mô α, β
- Bức xạ điện từ: γ, tia X
2. Các khái niệm cơ bản liên quan đến bức xạ ion hóa.
2.1. Đơn vị đo năng lượng
Đơn vị đo năng lượng thông thường sử dụng bằng Joule (J) tuy nhiên trong lĩnh vực năng
lượng nguyên tử đơn vi đo năng lượng thường sử dụng là Điện tử volt (eV)
Một điện tử được gia tốc trong hiệu điện thế 1V thì nó có năng lượng là 1eV
1eV = 1,6 . 10-19 Joules
Các đơn vị bội số:
Do đơn vị eV là đơn vị đo có giá trị nhỏ nên trong thực tế người ta thường dùng các bội số
của eV
1 keV = 103 eV
1 MeV = 103 keV = 106 eV
1 GeV = 103 MeV = 106 keV = 109 eV
1 TeV = 103 GeV = 106 MeV = 109 keV = 1012 eV
2.2. Phân rã phóng xạ
Phân rã phóng xạ là hiện tượng biến đổi xảy ra trong nhân của một ngun tử do nó đã bị
kích thích hoặc do bản chất trong nhân của nó khơng có tính ổn định nó cần phân rã ra để
khiến nó trở nên bền vững hơn.
Quá trình phân rã của hạt nhân làm phát ra bức xạ ion hóa như: tia gamma, hạt alpha, hạt
beta, hạt neutron tùy thuộc vào từng loại đồng vị phóng xạ cụ thể

192
192
o
77Ir →
78Pt + -1- + gamma
99
99
o
42Mo → 43Tc + -1226
222
2
88Ra →
86Po + 4
2.3. Chất phóng xạ
Chất phóng xạ là chất có chứa các đồng vị phóng xạ, là chất phát ra bức xạ do quá trình
phân rã hạt nhân, chuyển mức năng lượng hạt nhân.
Chất phóng xạ có thể tồn tại ở các dạng khác nhau như: thể rắn, thể lỏng, thể khí với mỗi
dạng và loại chất phóng xạ khác nhau thì mức độ ảnh hưởng, nguy hiểm cũng khác nhau.


Chúng ta cần hiểu rõ từng loại dạng cụ thể trước khi tiếp xúc hoặc tiến hành công việc liên
quan để đảm bảo an toàn cho cá nhân, những người xung quanh và mơi trường
2.4. Hoạt độ phóng xạ
Đại lượng đặc trưng cường độ bức xạ của một nguồn phóng xạ và được định nghĩa là số
hạt nhân bị phân rã trong một đơn vị thời gian.
Đơn vị của hoạt độ phóng xạ là Becquerel (Bq)
Trong hệ đo lường cũ, A có đơn vị là Curi, ký hiệu là Ci, và:
1Ci=3.7*1010 Bq=37GBq
1 Bq = 1 phân rã/giây
1GBq = 27mCi

2.5. Chu kỳ bán rã
Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một khoảng thời gian gọi là chu kỳ bán rã. Sau mỗi
chu kỳ bán rã, lượng chất phóng xạ cịn lại chỉ bằng một nửa so với ban đầu.
Chu kỳ bán rã ký hiệu là: T1/2
Bảng 1 Chu kỳ bán rã của một số đồng vị
Nguyên tố
Technetium 99m
Iodine –131
Iodine –125
Phosphorus – 32
Colbalt-60
Caesium-137
Strontium-90
Iridium-192
Radium-226

T1/2

Số T1/2

6,02 giờ
8,1 ngày
60 ngày
14,3 ngày
5,25 năm
30 năm
28 năm
74 ngày
1.620 năm

1
2
3
4
5
10
20
50
100

Tỉ số còn lại
(1/......)x A0
2
4
8
16
32
1024
1.048.576
1,126.1015
1,268. 1030

2.6. Liều hấp thụ
Liều hấp thụ là đại lượng biểu diễn lượng năng lượng bức xạ tính bằng Joule (J) đã hấp thụ
hồn tồn trong một đơn vị khối lượng tính bằng kg
Đơn vị đo là J/kg; trong ATBX có tên riêng là Gray (Gy)
Đơn vị cũ là rad; 1Gy = 100 rad
Suất liều hấp thụ là năng lượng bức xạ bị hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng trong một
đơn vị thời gian
Đơn vị đo: Gy/s, rad/s

2.7. Liều tương đương
Liều tương đương đối với mô hoặc cơ quan của một bức xạ nhất định được định nghĩa là
tích của liều hấp thụ trung bình trong mơ (cơ quan) và trọng số đối với mỗi loại bức xạ
Đơn vị đo là J/kg, Sv, R


1 Sv = J/kg, 1Sv = 100 Rem
Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian
Đơn vị đo: R/s, Sv/s
2.8. Các loại bức xạ ion hóa phổ biến
2.8.1. Bức xạ Alpha
Hạt Alpha có bản chất là hạt nhân của nguyên tử Heli (2He4)có số khối nguyên tử là 4u và
điện tích là +2e. Hạt Alpha được biểu diễn bằng kí hiệu .
Các hạt Alpha có khối lượng và điện tích lớn nên chúng chỉ có thể chạy trong khơng khí
được vài cm và chúng có khả năng gây ion hoá rất cao.
2.8.2. Bức xạ Beta
Hạt beta về cơ bản là điện tử mà nó được phóng ra từ nhân của các hạt nhân phóng xạ.
Chúng được tạo ra khi một neutron trong nhân đó chuyển thành một proton và một điện tử.
Proton bị giữ lại trong hạt nhân cịn điện tử thì được phát ra như một hạt beta. Giống như các
điện tử, các hạt beta có khối lượng nhỏ (xấp xỉ 1/1840 u) và một điện tích âm đơn lẻ (tức là
một điện tích bằng -1e). Chúng được kí hiệu: .
Bức xạ Beta là chùm electron với dải năng lượng liên tục. Khả năng đâm xuyên khá hơn
so với hạt Alpha nhưng vẫn không lớn.
2.8.3. Bức xạ tia X và tia gamma
Tia Gamma là bức xạ điện từ được tạo ra từ hạt nhân của một nguyên tử. Bức xạ điện từ
gồm các bó năng lượng còn gọi là các photon, chúng được truyền dưới dạng sóng với tốc độ
ánh sáng. Tia Gamma khơng có khối lượng và điện tích, nó được kí hiệu là .
Tia X Giống như tia gamma, tia-X cũng là bức xạ điện từ khơng có khối lượng và điện
tích. Tuy nhiên, tia-X khác tia gamma ở chỗ tia gamma được tạo ra bởi sự biến đổi trong hạt
nhân của một nguyên tử trong khi đó tia-X được tạo ra khi điện tử nguyên tử bị thay đổi về

quỹ đạo.
Vì tia Gamma và tia X khơng mang điện tích nên khả năng đâm xuyên của chúng lớn hơn
so với hai dạng bức xạ hạt Alpha và Beta.
2.8.4. Bức xạ Positon
Hạt positron được tạo ra từ một proton được biến đổi thành một neutron và một điện tử
dương (positron). Neutron ở lại trong hạt nhân còn positron được phát ra với tốc độ lớn.
Positron cũng giống như hạt beta về hầu khắp các khía cạnh nhưng khác biệt chính đó là
positron có một điện tích dương. Vì thế, các positron được kí hiệu là + để chỉ ra sự giống
nhau và sự khác biệt của chúng đối với các hạt beta.
2.8.5. Bức xạ Neutron
Hạt Neutron (được kí hiệu là n) là hạt được tìm thấy trong hạt nhân của một nguyên tử với
số khối là 1u và khơng có điện tích. Nguồn phát Neutron chủ yếu là lò phản ứng hạt nhân, các
nguồn tạo Neutron (Am, Be), từ vũ trụ. Neutron có khả năng đâm xun sâu vì neutron khơng
mang điện tích


II. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT
1. Tương tác của hạt alpha với vật chất
So sánh với các hạt khác thì hạt alpha có khối lượng và điện tích khá lớn; bao gồm bốn
nucleon trong đó có hai điện tích dương. Khi các hạt alpha dịch chuyển qua chất hấp thụ
chúng sử dụng các lực điện tác dụng lên các điện tử quỹ đạo của chất hấp thụ. Các điện tử
quỹ đạo này sẽ được đẩy lên các lớp vỏ có mức năng lượng cao hơn hoặc bị bứt khỏi nguyên
tử, do đó tạo thành các cặp ion.
Một hạt alpha có thể truyền một lượng lớn năng lượng cho chất hấp thụ trên một khoảng
cách ngắn và tạo ra một số lượng lớn các cặp ion. Ví dụ, một hạt alpha có năng lượng 3,5
MeV sẽ dịch chuyển xấp xỉ 20 mm và tạo ra một trăm nghìn cặp ion trong khơng khí. Với giá
trị năng lượng như vậy hạt alpha sẽ dịch chuyển một khoảng xấp xỉ 0,03 mm (hoặc 30 m)
trong mơ.
Các hạt alpha có độ đâm xuyên yếu nhất so với các loại bức xạ. Quãng chạy của hạt alpha
là rất quan trọng khi chúng ta khảo sát mức độ nguy hiểm của các hạt alpha ở bên trong và

bên ngoài cơ thể con người.
2. Tương tác của hạt beta với vật chất
2.1. Sự ion hóa trực tiếp
So sánh với các hạt alpha thì các hạt beta là rất nhỏ. Chúng có một điện tích âm và khối
lượng hầu như không đáng kể. Trong thực tế, chúng giống hệt với các điện tử quỹ đạo của
chất hấp thụ nguyên tử và chính sự tương tự về điện tích của chúng có thể gây ra sự ion hoá
trực tiếp bằng cách đẩy các điện tử quỹ đạo ra khỏi nguyên tử.
Các hạt beta ít gây ra sự ion hoá hơn so với các hạt alpha dọc quãng đường đi của nó và do
vậy nó sẽ dịch chuyển quãng đường xa hơn so với một hạt alpha có cùng năng lượng. Vì vậy,
một hạt beta có năng lượng 3,5 MeV sẽ dịch chuyển xấp xỉ 11 m trong khơng khí và 17mm
trong mơ. Tuy nhiên, các hạt beta năng lượng thấp không thể dịch chuyển quá xa trong khơng
khí hoặc mơ (một hạt beta có năng lượng 0,157 MeV được phát ra từ carbon-14 chỉ dịch
chuyển 300 mm trong khơng khí và 0,8 mm trong mơ).
2.2. Q trình hãm
Một vài hạt beta, đặc biệt đối với các hạt có năng lượng cao có thể dịch chuyển sát tới hạt
nhân tích điện dương của nguyên tử chất hấp thụ. Các hạt này sẽ phải chịu một lực hút làm
lệch phương chuyển động của chúng, sự mất năng lượng diễn ra bằng cách phát ra tia X (bức
xạ hãm). Loại bức xạ này gọi là bremsstrahlung, tiếng Đức có nghĩa là “bức xạ hãm”.

Sự tạo ra bức xạ hãm như là một sản phẩm của tương tác các hạt beta với vật chất, nó có
ảnh hưởng rất lớn tới an tồn bức xạ. Các tia X đó có thể dịch chuyển qua một lượng lớn vật


chất. Điều này có nghĩa là bức xạ hãm được tạo ra trong suốt thời gian hấp thụ bức xạ beta có
thể gây ra nhiều vấn đề an tồn hơn bức xạ beta ban đầu. Để hạn chế lượng bức xạ hãm được
tạo ra, chúng ta cần hiểu sự tạo ra chúng một cách chi tiết hơn.
Thứ nhất, hạt nhân nặng hơn thì có nhiều hiệu ứng xảy ra hơn so với hạt nhân nhẹ với sự
tạo ra bức xạ hãm. Điều này xảy ra vì lực tác dụng lên một hạt beta từ nhân tích điện dương
của hạt nhân nặng là lớn hơn nhiều, vì vậy, sự lệch phương chuyển động của hạt beta cũng
lớn hơn nhiều.

Thứ hai, trong suốt thời gian tạo ra bức xạ hãm thì tồn bộ động năng của hạt beta có thể
bị biến đổi thành bức xạ tia-X nhưng thường chỉ có một phần năng lượng này bị biến đổi.
Trong thực tế, phần năng lượng beta tới bị biến đổi thành các tia X là tỉ lệ trực tiếp cả với
năng lượng cực đại của các hạt beta và nguyên tử số của chất hấp thụ. Mối tương quan này
thể hiện trong phương trình 1 ở trang tiếp theo.
F = 3,3 x 10–4 Z Emax
[1]
Trong đó
F là phần năng lượng beta tới biến đổi thành tia X
Z là nguyên tử số của chất hấp thụ
Emax là năng lượng cực đại của hạt beta (đo bằng MeV)
Từ phương trình này, dễ dàng thấy rằng tương tác với các vật liệu có Z thấp (như nước,
perspex hoặc nhơm) tạo bức xạ hãm ít hơn, nhưng ngược lại vật liệu có Z lớn (như chì) thì
tạo bức xạ hãm nhiều hơn. Một ví dụ của trường hợp này là khi bức xạ beta từ hạt nhân
phospho-32 (Emax = 1,7 MeV) đi qua chì hoặc perspex. Trong trường hợp chì (Z=82) thì xấp
xỉ 5% năng lượng của nó được biến đổi thành tia X. Tuy nhiên, nếu chất hấp thụ là perspex
(Z=7) thì năng lượng biến đổi thành tia X nhỏ hơn 0,5%.
3. Tương tác của tia gamma và tia x với vật chất
Cách thức mà các tia gamma và tia X tương tác với chất mà chúng đi qua khác so với bức
xạ alpha hoặc beta. Các hạt alpha và beta có quãng chạy xác định và chúng mất năng lượng
liên tục cho đến khi toàn bộ năng lượng của chúng truyền cho chất hấp thụ.
Nói một cách khác các tia gamma và tia X dịch chuyển một khoảng cách dài giữa các tương
tác và năng lượng của chúng không thể bị hấp thụ một cách liên tục. Tia Gamma hoặc tia X
tương tác với vật chất sẽ gây ra một hoặc cả ba hiệu ứng sau, phụ thuộc vào năng lượng của
bức xạ ban đầu đó là:
Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng tán xạ ngược, hay hiệu ứng tán xạ Compton
Hiệu ứng tạo cặp (electron-positron)
Quá trình tạo ra những sự kiện ion hoá đầu tiên trong chất hấp thụ được gọi là sự ion hoá
sơ cấp. Các điện tử được tạo ra trong q trình ion hố sơ cấp tiếp tục gây ion hóa các nguyên

tử khác trong chất hấp thụ. Quá trình này được gọi là ion hoá thứ cấp. Một sự kiện ion hoá sơ
cấp đơn lẻ có thể gây ra rất nhiều sự kiện ion hố thứ cấp và kích thích. Điều quan trọng phải
nhớ đó là các tương tác thứ cấp sẽ truyền hầu hết năng lượng cho môi trường hấp thụ, và xu
hướng xảy ra điều này trong mô của cơ thể sẽ xác định các sai hỏng tiềm tàng trong mô của
cơ thể.
3.1. Hiệu ứng quang điện


Một photon năng lượng tương đối thấp (nhỏ hơn 1 MeV) có thể truyền tồn bộ năng lượng
của nó cho một điện tử liên kết ở lớp vỏ bên trong nguyên tử, làm cho điện tử này bứt ra khỏi
nguyên tử hấp thụ
Điện tử được bứt ra này được gọi là Photo-điện tử (quang điện tử ), điện tử này sẽ dịch
chuyển trong chất hấp thụ gây ra ion hoá thứ cấp và kích thích.

Đối với các năng lượng photon phổ biến thì photo-điện tử ban đầu có xác suất lớn nhất
nằm ở quỹ đạo điện tử trong cùng hoặc lớp vỏ K. Nguyên tử hấp thụ chuyển lên trạng thái
kích thích cùng với sự tạo ra một lỗ trống ở lớp vỏ trong của nó. Lỗ trống này nhanh chóng
được lấp đầy bằng cách chiếm một điện tử tự do từ chất hấp thụ, hoặc bằng cách sắp xếp lại
các điện tử từ các lớp vỏ khác của nguyên tử ở trường hợp sau, các điện tử dịch chuyển từ lớp
vỏ có mức năng lượng cao hơn để lấp chỗ trống, khi chúng thực hiện quá trình này thì năng
lượng đồng thời được giải phóng tạo ra các tia X đặc trưng. Trong một vài trường hợp, các
tia X được tạo ra bởi quá trình trên sẽ tương tác với một điện tử ở lớp vỏ ngoài và làm nó bị
bứt ra khỏi nguyên tử. Nó có năng lượng thấp và được gọi là điện tử Auger.

Lưu ý rằng hiệu ứng quang điện thường xảy ra trong các chất có số ngun tử cao, vì vậy
một chất như chì (Z=82) được sử dụng là chất che chắn tốt đối với các photon năng lượng
thấp. Hiệu ứng quang điện không quan trọng lắm với các chất có số Z thấp như là nhôm.
3.2. Tán xạ Compton (Tán xạ ngược)
Hiệu ứng tán xạ Compton được thực hiện thông qua một va chạm giữa một photon với một
điện tử ở lớp vỏ ngồi mà chỉ có một phần năng lượng photon truyền cho nguyên tử hấp thụ.

Điện tử này được giải phóng khỏi nguyên tử (sự ion hoá sơ cấp) và sẽ tiếp tục dịch chuyển


qua chất hấp thụ gây ra sự ion hoá thứ cấp và sự kích thích. Photon tán xạ bị giảm năng lượng
và có thể tiếp tục tương tác với các nguyên tử hấp thụ khác.
Góc mà photon bị tán xạ phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của nó và năng lượng truyền
cho điện tử. Các photon năng lượng thấp truyền rất ít năng lượng để giải phóng điện tử này
và chúng bị tán xạ dưới các góc lớn. Tuy nhiên, các photon năng lượng cao (10 đến 100 MeV)
truyền hầu hết năng lượng của chúng để giải phóng các điện tử và không bị tán xạ nhiều.
Sự tán xạ Compton quan trọng nhất đối với các photon năng lượng nằm trong khoảng 0,2
đến 5,0 MeV, và chiếm ưu thế với các chất hấp thụ có giá trị Z cao.
Hiệu ứng tán xạ ngược phân bố trong cả không gian 360o, do vậy nó có thể gây nguy hiểm
cho mọi người đứng xung quanh nguồn phát (máy phát tia X)S

3.3. Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi một photon với năng lượng lớn hơn 1,02 MeV tương tác với
điện trường mạnh của hạt nhân nặng của một nguyên tử hấp thụ và tạo ra hai hạt, một điện tử
và một positron. Giá trị năng lượng 1,02 MeV tương đương năng lượng của tổng khối lượng
một cặp electron-positron (một điện tử và một positron) và với năng lượng photon bất kỳ vượt
qua giới hạn của giá trị này thì động năng cung cấp cho điện tử và positron cũng có thể gây
ra hạt nhân của nguyên tử bia bị giật lùi.
Sau đó điện tử và positron dịch chuyển ra xa nhau và mất động năng do sự ion hố thứ cấp.
Positron khi bị mất tồn bộ năng lượng của nó thì sẽ kết hợp với một điện tử của nguyên tử
hấp thụ bởi một quá trình được gọi là quá trình huỷ cặp. Trong quá trình này, hai hạt cùng bị
phá huỷ và biến đổi thành hai photon, với mỗi mức năng lượng là 0,51 MeV. Các photon này
được phát ra theo các hướng đối nhau.
Đối với các photon có năng lượng vượt ngưỡng, xác suất mà quá trình tạo cặp xảy ra sẽ
tăng theo số nguyên tử của chất hấp thụ. Hiệu ứng này cũng sẽ tăng phụ thuộc vào năng lượng
photon, tăng chậm khi năng lượng trong khoảng từ 1,02 đến 5 MeV và tăng nhanh hơn khi
năng lượng lớn hơn 5 MeV. Quá trình tạo cặp là quá trình tương tác chủ yếu đối với các

photon năng lượng cao trong các chất có số nguyên tử cao.


Bảng 2 Tóm tắt các tương tác của photon

4. Tương tác của hạt neutron với vật chất
Neutron sinh ra bởi sự phân hạch hay các phản ứng hạt nhân
Toàn bộ Neutron tự do bắt đầu sự sống là các Neutron nhanh, với năng lượng lớn hơn
100keV
Các Neutron nhanh sau đó bị làm chậm do va chạm với các hạt nhân nguyên tử chất hấp
thụ để tạo thành:
+ Neutron trung gian (E = 0,025 đến 100keV)
+ Neutron nhiệt (E nhỏ hơn 0,025keV)


Các Neutron tương tác với vật chất thông qua 3 phương thức:
Tán xạ đàn hồi
Tán xạ không đàn hồi
Bắt Neutron
Tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi phục vụ cho quá trình làm chậm Neutron nhanh và
trung gian.
Sự chiếm Neutron xảy ra đối với các Neutron nhiệt.
4.1. Tán xạ đàn hồi
Là quá trình các Neutron nhanh và trung gian chịu các va chạm đàn hồi (là va chạm trong
đó tổng động năng của các hạt được bảo tồn) với chất hấp thụ và Neutron bị tán xạ.
Trong va chạm đàn hồi Neutron mất 1 phần động năng ban đầu qua việc truyền cho hạt
nhân bia và làm cho hạt nhân bia dịch chuyển ra xa.
Hướng giật lùi của bia và lượng tán xạ của Neutron phụ thuộc lượng năng lượng được
truyền
Như vậy cách thức đạt hiệu quả nhất để Neutron truyền năng lượng cho môi trường hấp

thụ là cho Neutron đập vào bia Neutron hay proton có cùng khối lượng.
Thực tế, tán xạ đàn hồi hầu như xảy ra tương tác giữa Neutron nhanh trong mô sinh học và
gây nguy hiểm cho cơ thể người.

4.2. Tán xạ không đàn hồi
Một tương tác Neutron phức tạp hơn có thể xảy ra, ở đó Neutron nhanh hoặc trung gian va
chạm với 1 bia lớn hơn nhiều so với nó và không bị bật khỏi bia như trong tán xạ đàn hồi mà
bị hấp thụ bởi bia. Đó là tán xạ không đàn hồi.
Trong tán xạ không đàn hồi, Neutron bị hấp thụ bởi hạt nhân bia và sau khoảng thời gian
ngắn sẽ được phát lại với năng lượng nhỏ hơn và hạt nhân bia chuyển lên trạng thái kích thích.
Hạt nhân bia sau đó sẽ phát ra tia gamma để về trạng thái bền.
Trong tán xạ không đàn hồi không có sự bảo tồn động năng vì một phần năng lượng đã
được dùng để tạo ra tia gamma.
Xác suất xảy ra tán xạ không đàn hồi phụ thuộc vào năng lượng của Neutron. Nó tăng theo
năng lượng của Neutron.


Trong phản ứng này có tạo ra các tia gamma và các tia gamma này cần được xem xét đến
khi tính tốn bảo vệ các rào chắn Neutron.

4.3. Bắt neutron
Do các q trình tán xạ đàn hồi và khơng đàn hồi, các Neutron nhanh và trung gian sẽ được
làm chậm đến Neutron nhiệt 0,025eV.
Hầu hết các Neutron nhiệt sẽ bị bắt và trở thành 1 phần của hạt nhân chất hấp thụ.
Hạt nhân chất hấp thụ khi bắt Neutron sẽ trở thành bị kích thích và sau đó sẽ giải phóng
năng lượng dư dưới dạng tia gamma
Các hạt alpha tạo thành sẽ bị làm yếu nhanh, còn lại là các tia gamma 0,48 MeV và có thể
có các tia gamma 2,26 MeV tạo thành khi các hạt nhân hydrogen hấp thụ các Neutron này
(nhưng thường là xác suất rất thấp).

III. HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ
1. Các cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa
1.1. Tác động trực tiếp
Bức xạ ion hoá trực tiếp truyền năng lượng và gây nên q trình kích thích và ion hố các
phân tử sinh học dẫn đến tổn thương các phân tử đó.
1.2. Tác dụng gián tiếp
Bức xạ ion hố tác dụng lên phân tử nước (chiếm 75% trong tổ chức sống) làm phân ly
các phân tử nước tạo thành các ion H+, OH- ..., các gốc tự do H0, OH0, ... , các hợp chất có
khả năng oxy hố cao HO2, H2O2 ..., chúng phản ứng với các phân tử sinh học và gây tổn
thương. Các tổn thương ở giai đoạn này chủ yếu là tổn thương hoá sinh.
1.3. Các giai đoạn biến đổi
1.3.1. Giai đoạn hóa ký
Giai đoạn hóa lý thường rất ngắn, chỉ xảy ra trong khoảng thời gian 10-16 - 10-13 giây.
Trong giai đoạn này các phân tử sinh học cấu tạo nên tổ chức sống chịu tác dụng trực tiếp
hoặc gián tiếp của bức xạ ion hố.
1.3.2. Giai đoạn sinh học
Giai đoạn này có thể kéo dài vài giây đến vài chục năm sau khi bị chiếu xạ.
Những tổn thương hoá sinh ở giai đoạn đầu nếu không được hồi phục sẽ dẫn đến những
rối loạn về chuyển hoá, tiếp đến là các tổn thương về hình thái và chức năng của tế bào.
Kết quả cuối cùng là những hiệu ứng sinh học trên cơ thể sống được biểu hiện hết sức đa
dạng.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ
2.1. Liều chiếu
Liều chiếu là yếu tố quan trọng nhất quyết định tính chất và tổn thương sau chiếu xạ.
Liều càng lớn tổn thương càng nặng và xuất hiện càng sớm.
2.2. Suất liều chiếu
Cùng với một liều hấp thụ như nhau, thời gian chiếu kéo dài sẽ làm giảm hiệu ứng sinh
học của bức xạ. Nguyên nhân được giải thích bởi khả năng tự hồi phục của cơ thể ở các mức
liều khác nhau.

Với suất liều nhỏ tốc độ phát triển tổn thương cân bằng với mức độ hồi phục của cơ thể.
Tăng suất liều thì quá trình hồi phục giảm nên mức độ tổn thương tăng lên, hiệu ứng sinh
học sẽ tăng lên.
2.3. Diện tích bị chiếu
Mức độ tổn thương sau chiếu xạ phụ thuộc rất nhiều vào diện tích chiếu, chiếu một phần
(chiếu cục bộ) hay toàn bộ cơ thể.
Liều tử vong khi chiếu xạ toàn thân thường thấp hơn nhiều so với chiếu cục bộ.
2.4. Hiệu ứng nhiệt độ
Giảm nhiệt độ sẽ làm giảm tác dụng của bức xạ ion hoá, do khi nhiệt độ giảm tốc độ di
chuyển của các gốc tự do tới phân tử sinh học giảm dẫn đến giảm số phân tử sinh học bị tổn
thương.
Áp dụng trong thực tế: Bảo quản các chế phẩm sinh học có gắn phóng xạ ở nhiệt độ đóng
băng để giảm cơ chế tác dụng gián tiếp của bức xạ.


2.5. Hiệu ứng oxy
Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật tăng theo nồng độ oxy, do khi đó lượng HO2, H2O2
tạo ra càng nhiều và làm tăng số phân tử sinh học bị tổn thương do phóng xạ.
Hiệu ứng oxy tăng dần đến nồng độ oxy ở điều kiện bình thường trong khơng khí (21%),
sau đó hàm lượng oxy trong khơng khí có tăng cao hơn thì cơ thể con người cũng ở trạng thái
bão hồ và khơng thể hấp thụ thêm oxy nữa do vậy tác dụng của hiệu ứng này cũng không
tăng.
2.6. Hàm lượng nước
Hàm lượng nước càng lớn thì các gốc tự do được tạo ra càng nhiều, số các gốc tự do tác
động lên phân tử sinh học càng nhiều do đó hiệu ứng sinh học cũng tăng lên.
3. Các tổn thương do bức xạ gây ra
3.1. Tổn thương ở mức phân tử
Khi chiếu xạ, năng lượng của chùm tia truyền trực tiếp hoặc gián tiếp cho các phân tử sinh
học có thể phá vỡ mối liên kết hoá học hoặc phân ly các phân tử sinh học.
Tuy nhiên bức xạ ion hố khó làm đứt hết các mối liên kết hoá học mà thường chỉ làm mất

thuộc tính sinh học của các phân tử sinh học.

3.2. Tổn thương ở mức tế bào
Khi bị chiếu xạ các đặc tính của tế bào có thể thay đổi ở cả trong nhân và nguyên sinh chất.
Nếu bị chiếu xạ bởi liều cao tế bào có thể bị phá huỷ hoàn toàn.
Hệ quả các tổn thương tế bào do phóng xạ
− Tế bào chết do tổn thương nặng ở nhân và chất nguyên sinh.
− Tế bào không chết nhưng không phân chia được.
− Tế bào không phân chia được nhưng số nhiễm sắc thể tăng gấp đôi và thành tế bào khổng
lồ.
− Tế bào phân chia được nhưng có rối loạn trong cơ chế di truyền.


Mức độ nhạy cảm phóng xạ
Các tế bào khác nhau có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau
− Các tế bào non đang trưởng thành (tế bào phôi),
− Tế bào sinh sản nhanh, dễ phân chia (tế bào cơ quan tạo máu, niêm mạc ruột, tinh hoàn,
buồng trứng ...) thường có độ nhạy cảm phóng xạ cao.
Các tế bào thần kinh tuy thuộc loại không phân chia nhưng cũng rất nhạy cảm phóng xạ.
Tế bào limpho khơng phân chia nhưng cũng nhạy cảm phóng xạ.
Khơng chỉ định chiếu xạ với phụ nữ có thai, đang cho con bú và đặc biệt với trẻ em nếu
không bắt buộc.
3.3. Tổn thương ở mức toàn cơ thể
Các hiệu ứng sớm
Tổn thương sớm xuất hiện khi bị chiếu ở mức liều cao trong thời gian ngắn (chiếu toàn
thân trên mức liều 500mSv),
Biểu hiện tổn thương sớm thường thấy trên một số cơ quan sau:
− Máu và cơ quan tạo máu,
− Hệ tiêu hoá,
− Da

Máu và cơ quan tạo máu
− Biểu hiện lâm sàng là các triệu chứng xuất huyết, phù nề, thiếu máu,
− Giảm limpho, bạch cầu hạt, tiểu cầu và hồng cầu,
− Xét nghiệm tuỷ xương thấy giảm cả 3 dòng, sớm nhất là dịng hồng cầu.
Hệ tiêu hóa
− Biểu hiện lâm sàng là ỉa chảy, sút cân, nhiễm độc máu, giảm sức đề kháng cơ thể,
− Những thay đổi trong hệ thống tiêu hố thường quyết định hậu quả bệnh phóng xạ.
Da
− Sau khi bị chiếu liều cao, các ban đỏ xuất hiện trên da, da bị viêm, xạm,
− Các tổn thương này có thể dẫn đến viêm lt, thối hố, hoại tử da hoặc phát triển thành
ung thư da.
Các hiệu ứng muộn
Các hiệu ứng muộn được chia làm 2 loại
− Hiệu ứng sinh thể (somatic effects)


Giảm tuổi thọ, đục thuỷ tinh thể, tần suất xuất hiện bệnh ung thư cao hơn, thường là ung
thư máu, ung thư da, ung thư xương, ung thư phổi,
− Hiệu ứng di truyền (hereditary effects)
Tăng tần suất xuất hiện các đột biến về di truyền, dị tật bẩm sinh, quái thai

4. Hiệu ứng tất nhiên và hiệu ứng ngẫu nhiên
Dưới tác động của bức xạ ion hoá cơ thể sống có thể bị ảnh hưởng bởi hai hiệu ứng:
− Hiệu ứng tất nhiên.
− Hiệu ứng ngẫu nhiên.
4.1. Hiệu ứng tất nhiên
Chiếu xạ liều cao có thể gây ra các triệu chứng cấp như nôn mửa, mẩn đỏ da, hoặc,
Trong trường hợp nghiêm trọng, các triệu chứng bệnh lý nguy cấp hơn có thể xuất hiện chỉ
trong một thời gian ngắn sau khi bị chiếu xạ,
Các hiệu ứng như vậy được gọi là các hiệu ứng “tất nhiên” vì chúng chắc chắn xẩy ra nếu

liều xạ vượt quá một mức ngưỡng nào đó.
Các hiệu ứng tất nhiên là kết quả của nhiều quá trình khác nhau, nhưng chủ yếu là do các
tế bào bị chết và chậm phân chia do chiếu xạ liều cao.
Nếu liều đủ cao, nó có thể phá hỏng chức năng của tổ chức tế bào bị chiếu xạ. Mức độ
nghiêm trọng của hiệu ứng tất nhiên đối với từng cá thể bị chiếu xạ sẽ tăng lên theo giá trị
liều lớn hơn ngưỡng xẩy ra hiệu ứng.
Bảng 3 Các hiệu ứng tất nhiên xảy ra đối với da (Giả thiết rằng suất liều = 0,1 Gy/phút)
Hiệu ứng

Ngưỡng
liều (Gy)

Thời gian
phát ra hiệu
ứng

Thời gian
chiếu
(phút)

Phát ban đỏ sớm tạm thời

2

2-24 giờ

20

Phản ứng mẩn đỏ chính

6

1,5 tuần

60


Hiệu ứng

Ngưỡng
liều (Gy)

Thời gian
phát ra hiệu
ứng

Thời gian
chiếu
(phút)

Rụng lơng/tóc tạm thời

3

3 tuần

30

Rụng lơng/tóc vĩnh viễn

7

3 tuần

70

Tróc vảy da khơ

14

4 tuần

140

Tróc vảy da ướt

18

4 tuần

180

Loét thứ phát

24

76 tuần

240

Phát ban đỏ muộn

15

8-10 tuần

130

Hoại tử da do thiếu máu cục bộ

18

> 10 tuần

180

4.2. Hiệu ứng ngẫu nhiên
Sự chiếu xạ cũng có thể gây ra các hiệu ứng tế bào (hiệu ứng soma) như bệnh ung thư xuất
hiện trong một khoảng thời gian dài âm ỉ sau khi bị chiếu xạ và biểu hiện bệnh lý có thể được
phát hiện trong cộng đồng dân cư,
Hiệu ứng này có thể xẩy ra trong tồn bộ dải liều và khơng có ngưỡng.
Các hiệu ứng di truyền do bức xạ có thể xẩy ra đối với con người
Những hiệu ứng có khả năng phát hiện được theo triệu chứng bệnh lý như ung thư ác tính,
hiệu ứng di truyền đều được gọi là "hiệu ứng ngẫu nhiên" do bản chất ngẫu nhiên của chúng.
Các hiệu ứng ngẫu nhiên có thể xảy ra nếu tế bào bị biến đổi do chiếu xạ chứ không bị
giết chết,
Các tế bào bị biến đổi này sau đó có thể kéo dài quá trình phát triển và gây ra ung thư,
Cơ chế tự bảo vệ và tự hồi phục của cơ thể làm cho q trình gây bệnh trở nên rất khơng
chắc chắn khi bị chiếu ở mức liều thấp.
Khơng có bằng chứng cho thấy tồn tại một mức ngưỡng liều thấp mà dưới đó ung thư

khơng xẩy ra,
Xác suất để xẩy ra ung thư sẽ cao hơn khi liều càng cao, nhưng tính nghiêm trọng của một
bệnh ung thư nào đó do bức xạ gây ra thì hồn tồn độc lập đối với liều.
Nếu tế bào bị bức xạ phá huỷ là tế bào phôi, mà chức năng của chúng là chuyển thơng tin
di truyền cho thế hệ sau thì dễ dàng hiểu rằng các hiệu ứng di truyền có thể phát triển ở thế
hệ con cháu của cá thể bị chiếu xạ,
Khơng có bằng chứng cho thấy tồn tại một mức ngưỡng liều thấp mà dưới đó ung thư
khơng xẩy ra,
Xác suất để xẩy ra ung thư sẽ cao hơn khi liều càng cao, nhưng tính nghiêm trọng của một
bệnh ung thư nào đó do bức xạ gây ra thì hồn toàn độc lập đối với liều.


Nếu tế bào bị bức xạ phá huỷ là tế bào phôi, mà chức năng của chúng là chuyển thông tin
di truyền cho thế hệ sau thì dễ dàng hiểu rằng các hiệu ứng di truyền có thể phát triển ở thế
hệ con cháu của cá thể bị chiếu xạ,
Bảng 4 Các bệnh muộn và ung thư sau khi chiếu chụp X-quang và y học hạt nhân đối với
bào thai

Xét nghiệm

Liều trung bình
của bào thai
(mGy)

Xác suất gây bệnh trên lần xét nghiệm
Bệnh muộn

Ung thư đến 15 tuổi

X-quang quy ước

Chụp bụng

1,4

1/30000

1/24000

Barium anema

6,8

1/6000

1/5000

Uống barium

1,1

1/38000

1/30000

Chụp thân (qua ven)

1,7

1/24000

1/20000

Cột sống thắt lưng

1,7

1/24000

1/20000

Khung chậu

1,1

1/38000

1/30000

Thời gian sau khi thụ thai, nếu bị
chiếu xạ ở các thời điểm:
Hai tuần đầu tiên

Rủi ro/mGy
Rất nhỏ

Từ tuần thứ 3 tới tuần thứ 8

có khả năng bị dị tật ở các cơ quan

Từ tuần thứ 8 tới tuần thứ 15

xác suất tổn thương nặng về thần kinh là
1/2500

Từ tuần thứ 16 tới tuần thứ 25

xác suất tổn thương nặng về thần kinh là
1/1000

Trong toàn bộ thời gian mang thai

Xác suất bị ung thư ở tuổi thiếu niên là
1/50000


IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ
1. Các phương pháp gamma
Các phương pháp địa vật lý hạt nhân dùng nguồn chiếu ngoài là các nguồn gamma được
gọi là các phương pháp gamma. Các nguồn gamma để kích thích các phản ứng trong các
phương pháp này được dùng là các chất đồng vị phóng xạ nhân tạo nhận được trong các lị
phản ứng hạt nhân. Mỗi một chất đồng vị được dùng trong các phương pháp địa vật lý được
đặc trưng bởi ba yếu tố chính: năng lượng nguồn bức xạ, chu kỳ bán rã và hoạt độ của nguồn.
Yếu tố xác định khi chọn nguồn là năng lượng các lượng tử gamma do chúng phát xạ. Bởi
vì tất cả các nguồn khơng tạo ra các dãy biến đổi phóng xạ, nên trong đa số trường hợp nguồn
phát xạ bức xạ gamma có phổ tương đối đơn giản gồm một hoặc vài vạch năng lượng. Chất
lượng phổ bức xạ gamma của nguồn phụ thuộc vào dạng quá trình biến đổi mà trong đó phát
sinh ra các bức xạ gamma.
Đồng vị 119mSn có phổ sạch của bức xạ gamma. Trong đó bức xạ gamma phát sinh do sự
chuyển đồng phân.
Sự chuyển đồng phân là q trình khi hạt nhân đã được kích thích chuyển về trạng thái ổn

định không phát xạ các hạt mà chỉ phát xạ năng lượng dưới dạng lượng tử gamma. Trong sự
chuyển đồng phân số thứ tự Z và số khối A không thay đổi.

3

5

3

1

2

4

1

2

a

b
1

c
2

1

2

d

e
Hình 1 Các nguồn gamma và rơnghen

f

a. Mẫu chuẩn 226Ra - b. Các nguồn gamma 60Co, 137Cs
c. Các nguồn 65Zn, 75Se, 124Sb, 170Tm - d. Nguồn rơnghen 55Fe
e. Nguồn rơnghen 204Tl - f. Mẫu thử 60Co
1. Chất phóng xạ - 2. Vỏ - 3. Nắp - 4. ống thuỷ tinh - 5. Nắp cao su


Quá trình thứ hai dẫn đến sự tạo ra phổ bức xạ gamma có độ sạch cao là q trình bắt giữ
điện tử. Khi bắt giữ điện tử của vỏ riêng, hạt nhân phát xạ lượng tử gamma có năng lượng đặc
trưng đối với hạt nhân đã cho. Nguyên tử đã bị mất điện tử từ vỏ gần nhất sẽ chuyển về trạng
thái bình thường khi đã phát xạ lượng tử bức xạ đặc trưng trong vùng Rơnghen của phổ. Trong
một số trường hợp, hạt nhân khi chuyển về trạng thái cơ bản sẽ truyền năng lượng cho một
trong các địên tử của nguyên tử. Kết quả là cũng phát sinh bức xạ Rơnghen đặc trưng.
Các nguồn bức xạ gamma dùng các đồng vị phát xạ alpha không nhiều. Trong số đó có
238
Pu và 241Am. Các sản phẩm biến đổi của các đồng vị này là các chất phóng xạ, nhưng chu
kỳ bán rã lớn của 238Pu (T1/2 = 86năm) và 241Am (T1/2 = 458 năm) dẫn đến điều là các nguồn
trong những năm gần nhất sau khi chế tạo chúng sẽ không chứa các chất bức xạ gamma cấu
thành phổ bức xạ của chúng.

Người ta dùng nhiều nhất các đồng vị gamma có sự biến đổi bêta. Khi biến đổi bêta
phát sinh bức xạ gamma, đơi khi có thành phần phổ phức tạp và bức xạ Rơnghen đặc
trưng của nguyên tử. Một số các chất bức xạ bêta ví dụ triti (3H) và prômêti 147 (147Pm),

khi biến đổi bêta không phát xạ bức xạ gamma. Các chất như thế là các nguồn bức xạ
Rơnghen có phổ liên tục phát sinh như là bức xạ hãm khi giảm tốc độ do tương tác của
các hạt bêta vật chất của nguồn và vỏ hộp chứa nguồn. Bởi vì suất phát xạ bức xạ hãm
chỉ khoảng vài phần trăm hoạt độ của nguồn, nên để nhận được dòng đủ lớn của bức
xạ gamma hãm, nguồn cần có hoạt độ (n.1010 - n.1011Bq).
Nhược điểm của các nguồn phát xạ bêta là độ sạch phổ bức xạ gamma không cao.
Các phương pháp gamma
- Phương pháp gamma - gamma mật độ

Việc dùng phương pháp gamma - gamma xác định mật độ của các đá và quặng
(GG) được thực hiện như sau: Trên bề mặt môi trường đặt nguồn bức xạ gamma, cách
nguồn 50-70cm đặt đetector ghi trường gamma. Trong một số điều kiện sự hấp thụ và
tán xạ các lượng tử gamma do nguồn phát xạ chỉ phụ thuộc vào mật độ mơi trường.
Chính vì thế việc đo bức xạ gamma đã bị làm yếu cho phép xác định mật độ.
Có ba biến thể của phương pháp gamma - gamma mật độ: phương pháp chiếu xuyên
bằng chùm tia hẹp của bức xạ gamma hoặc là phương pháp bức xạ gamma nguyên
sinh, phương pháp chiếu xuyên bằng chùm tia rộng và phương pháp ghi bức xạ gamma
tán xạ.
Trong phương pháp chùm tia hẹp, nhờ các bộ phận chuẩn trực bằng chì người ta tách
ra bức xạ gamma nguyên sinh để chiếu xuyên qua mẫu hoặc lớp đá. Phương pháp được
dùng chủ yếu trong các điều kiện phịng thí nghiệm.
Trong phương pháp chùm tia rộng, nguồn và đetector khơng có bộ phận chuẩn trực,
được đặt trong hai lỗ đục song song. Khi đó đetector ghi cả bức xạ nguyên sinh và bức
xạ gamma tán xạ nhiều lần.


Trong phương pháp gamma tán xạ, đetector và nguồn được đặt trong ống đo, giữa
chúng có màn chì để hấp thụ bức xạ nguyên sinh của nguồn. Ống đo được đặt trong
giếng khoan hoặc trên bề mặt đất đá và chỉ ghi bức xạ gamma đo đất đá tán xạ.
Nhờ phương pháp gamma - gamma mật độ xác định được các giá trị tuyệt đối của

mật độ đá và quặng trong phịng thí nghiệm, trong các điều kiện thực địa cũng như
trong các giếng khoan. Phương pháp có độ chính xác cao (sai số 1-3%). Do đó có thể
dùng phương pháp gamma- gamma mật độ để xác định mật độ của đất đá trong quá
trình nghiên cứu địa vật lý (bằng các phương pháp trọng lực và địa chấn), để phân chia
lát cắt địa chất và đồng danh vỉa, cũng như có thể dùng các giá trị mật độ quặng để tính
trữ lượng các khống sản có ích.
- Phương pháp gam ma- gamma chọn lọc

Nếu như tạo ra các điều kiện mà trong đó q trình tương tác chính của bức xạ
gamma với vật chất là hiệu ứng phơtơ, thì trường gamma của nguồn điểm sẽ phụ thuộc
chủ yếu vào Zhd của đá hoặc quặng. Trong các điều kiện như thế cường độ của bức xạ
gamma sẽ bị thay đổi khi thêm vào đá có Zhd nhỏ một lượng chất lẫn khơng lớn (vài
phần nghìn hoặc vài phần trăm) các ngun tố có Zhd lớn. Chính vì thế phương pháp
được gọi là phương pháp chọn lọc.
Bằng cách tính tốn lý thuyết và thực nghiệm Voxkoboinhikev G.M và Sokolov
M.M và một số người khác đã chứng minh rằng phương pháp gamma – gamma chọn
lọc có thể thực hiện khi quan sát sự tán xạ và hấp thụ của bức xạ gamma trong dải năng
lượng E<100- 200KeV. Việc tạo ra và ứng dụng trường bức xạ gamma sóng dài như
thế có thể bằng hai cách: hoặc là bằng cách dùng các nguồn bức xạ gamma sóng dài
(Eo < 200KeV), hoặc là bằng cách ghi vùng năng lượng thấp của phổ tán xạ nhiều lần
của bức xạ gamma trên các khoảng cách đủ lớn cách nguồn (4- 7 độ dài quãng chạy tự
do của các lượng tử gamma nguyên sinh). Trong trường hợp thứ hai đối với phương
pháp gamma - gamma chọn lọc có thể dùng các nguồn bức xạ gamma sóng ngắn (Eo
= 0,5 – 2,0 MeV).
- Phương pháp huỳnh quang tia X
Phương pháp huỳnh quang đặc trưng X cũng còn gọi là đo lường huỳnh quang tia X là
một phương pháp phóng xạ nhân tạo, có thể dùng để xác định chủng loại và hàm lượng nguyên
tố. Nguyên lý công tác của nó là, lợi dụng bức xạ bên ngồi kích thích mẫu vật cần đo, làm
cho ngun tử của nó phát ra bức xạ X đặc trưng,(huỳnh quang), đo năng lượng của bức xạ
X đặc trưng này có thể xác định chủng loại nguyên tố trong mẫu vật. Căn cứ suất liều chiếu

của bức xạ X đặc trưng thì có thể xác định hàm lượng của các nguyên tố naỳ.
Căn cứ vào sự khác nhau của nguồn kích thích, có thể phân phương pháp huỳnh quang tia
X thành:
o Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X dùng nguồn kích thích điện tử.


Dùng điện tử cao tốc bắn phá mẫu vật cần đo, làm cho nó phát ra bức xạ X đặc trưng. Ống
X quang là ống dùng điện tử tốc độ cao bắn phá cực dương, để nhận được bức xạ X đặc trưng
của vật liệu dương cực. Phương pháp này có lịch sử lâu nhất, đến nay vẫn được ứng dụng
rộng rãi, nhưng độ nhạy phân tích thấp.
Nó thường dùng để nghiên cứu sự thay đổi cục bộ cấu thành bề mặt của vật phẩm, cũng
dùng để xác định đặc tính của khống vật.
o Phân tích huỳnh quang tia X dùng nguồn kích thích là hạt mang điện (gọi đơn giản là
PIXE)
Trước mắt người ta dùng prơton kích thích ngun tử phát xạ bức xạ X đặc trưng. Thường
dùng máy gia tốc tĩnh điện gia tốc prôton, dùng làm nguồn kích thích. Phương pháp này có
độ nhạy cao, tốc độ nhanh, trong khoa học môi trường, khảo cổ học và các phương diện khác,
có ứng dụng rộng rãi.
o Phân tích huỳnh quang X dùng bức xạ điện từ làm nguồn kích thích (gọi tắt là XRF)
Ống X quang, máy gia tốc đều có thể sản sinh bức xạ điện từ có thể dùng làm nguồn kích
thích, sản sinh bức xạ X đặc trưng. Người làm cơng tác địa chất có hứng thú nhất là, dùng
một số nguyên tố phóng xạ nào đó (ví dụ 238Pu, 241Am...) làm nguồn kích thích, sau khi bức
xạ  năng lượng thấp với giá trị năng lượng cố định do chúng bức xạ bắn phá, mẫu vật, có thể
sản sinh bức xạ đặc trưng, độ nhạy phân tích của chúng tuy khơng bằng phương pháp PIXE
nhưng mơ hình tiện lợi, hàm lượng phân tích có thể cao thấp. Đặc biệt là, máy móc có thể chế
tạo thành loại mang xách tiện lợi, có thể cơng tác dã ngoại tại hiện trường xác định chủng loại
và hàm lượng các nguyên tố.
2. Các phương pháp nơtron
Theo truyền thống người ta xếp vào các phương pháp nơtron là các phương pháp mà trong
đó để nghiên cứu các đá và quặng người ta dùng các nguồn nơtron (trường nơtron nguyên

sinh) hoặc là đo các dòng nơtron phát sinh do các phản ứng hạt nhân (trường nơtron thứ sinh).
Đối với một số phương pháp nơtron có sự chồng chập của các trường nơtron và gamma. Chính
vì thế việc nghiên cứu các phương pháp nơtron cần phải tiến hành sau khi nghiên cứu các
phương pháp gamma của địa vật lýhạt nhân.
Các phương pháp nơtron
- Phương pháp nơtron- nơtron
Dựa trên việc nghiên cứu trường nơtron đã được làm chậm ở gần nguồn điểm các nơtron
nhanh. Phương pháp nơtron – nơtron được dùng để nghiên cứu độ ẩm và độ hổng của đá,
cũng như để phân tích một số quặng có tiết diện rất cao hấp thụ các nơtron (các quặng bo,
mangan, liti, thuỷ ngân...)
- Phương pháp nơtron – gamma
Nghiên cứu trường gamma thứ sinh phát sinh trong các đá dưới tác dụng của các nơtron đã
được làm chậm. Nhờ phương pháp nơtron - gamma cũng giải quyết được các nhiệm vụ như
là nhờ phương pháp nơtron- nơtron, ngoài ra phương pháp nơtron – gamma cịn được dùng
để phân tích thành phần một số quặng (sắt, niken... )
- Phương pháp gamma – nơtron


Dựa trên việc nghiên cứu các nơtron phát xạ bởi một số hạt nhân khi có sự hấp thụ bức xạ
gamma (phản ứng phôtô hạt nhân). Nhờ ngưỡng năng lượng cao của các phản ứng phơtơ hạt
nhân phương pháp có độ chọn lọc theo tỷ lệ với một số chất phóng xạ và được dùng rộng rãi
để nghiên cứu quặng berili.
Ngồi các phương pháp đã kể trên cịn có các phương pháp nơtron xung dựa trên việc
nghiên cứu các trường nơtron khơng dừng. Chúng có sự khác biệt đáng kể về phương pháp
hệ kỹ thuật và lĩnh vực áp dụng so với các phương pháp nơtron dựa trên việc nghiên cứu các
trường nơtron dừng. Các phương pháp nơtron xung sẽ được đề cập đến trong giáo trình karơta.
- Phương pháp phân tích kích hoạt
Nghiên cứu hoạt độ nhân tạo phát sinh khi chiếu các hạt nhân bền bằng dòng nơtron (hoặc
dịng các lượng tử gamma). Phương pháp kích hoạt được dùng để nghiên cứu nhiều loại quặng
bằng cách tách ra và đánh giá hàm lượng các nguyên tố riêng biệt theo các bức xạ thứ sinh

của chúng.


PHẦN II. ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG
NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG
1. Ứng dụng trong đo lường và thích ứng với biến đổi khí hậu
Kỹ thuật hạt nhân và kỹ thuật đồng vị có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới mà
chúng ta đang sống. Dữ liệu mà chúng ta thu thập bằng các kỹ thuật này có thể hướng tới việc
cải thiện và hoạch định chính sách dựa trên khoa học, trong đó có cả biến đổi khí hậu. Chúng
ta có thể nghiên cứu cả hệ thống đất và nước bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật hạt nhân khác
nhau để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với môi trường.
Các kỹ thuật và thiết bị hạt nhân sử dụng rất hiệu quả trong việc giám sát phát thải khí nhà
kính như carbon dioxide (CO2), nitơ oxit (N2O) và mêtan (CH4), nghiên cứu những thay đổi
của môi trường đối với đại dương, núi và hệ sinh thái của chúng, đồng thời phát triển cách
thức để thích ứng tình trạng thiếu lương thực và nước uống trở nên trầm trọng hơn do thời tiết
thay đổi.
Bà Najat Mokhtar, Phó Tổng Giám đốc IAEA kiêm Trưởng Ban Khoa học hạt nhân và
Ứng dụng cho biết: “Các quốc gia trên toàn thế giới ngày càng nhận ra giá trị của việc sử
dụng các kỹ thuật hạt nhân để chống lại các thách thức khác nhau do biến đổi khí hậu phải
đối mặt. Họ đang trực tiếp thấy được lợi ích của các cơng nghệ do IAEA thúc đẩy”.
Dữ liệu để xác định, giám sát và quản lý các nguồn phát thải khí nhà kính được thu thập
bằng cách sử dụng các kỹ thuật đồng vị để hiểu cách chúng được kết nối với những thay đổi
xảy ra trên đất liền, trong đại dương và trong tồn bộ khí quyển. Chúng ta có thể giải thích
được điều này.
Các kỹ thuật hạt nhân khác nhau được sử dụng để đo lượng và tỷ lệ của các đồng vị và để
xác định nguồn gốc, lịch sử, nguồn và các tương tác của chúng trong môi trường. Thơng qua
các phép đo này, các chun gia có thể hiểu rõ hơn về sự vận hành của các hệ sinh thái khác
nhau.
Giảm phát thải trong nông nghiệp
Một phần tư lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính bắt nguồn từ nông nghiệp, bao gồm việc

thải ra CH4 và N2O - một loại khí mạnh gấp 300 lần CO2 về mặt dẫn đến hiện tượng ấm lên
toàn cầu - từ chăn ni và phân bón hóa học. Phân bón dư thừa chuyển thành N2O khơng chỉ
góp phần làm trái đất nóng lên mà cịn gây ơ nhiễm đất và nước ngọt. Kỹ thuật hạt nhân rất
hữu ích để đánh giá lượng phát thải khí nhà kính về số lượng và chất lượng.
Kỹ thuật đồng vị có thể giúp xác định lượng phân bón mà cây trồng hấp thụ và do đó, giảm
lượng phân bón được bón và khối lượng N2O thải ra.
Tăng cường sản lượng trồng trọt
Biến đổi khí hậu đã dẫn đến tình trạng khơ hạn kéo dài ở nhiều quốc gia, điều quan trọng
là phải hiểu hạn hán đang ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển của cây trồng trong những
điều kiện mới này và giúp tìm ra cách tiết kiệm nước. Xem tại sao nước lại quan trọng .
Kỹ thuật đồng vị được sử dụng để đánh giá trạng thái và sự vận chuyển của nước trong đất
để hiểu cách cây trồng mạnh mẽ có thể tạo ra trong các điều kiện thay đổi. Các kỹ thuật này
giúp cộng đồng thích nghi với điều kiện khô hạn và sử dụng thành công các phương pháp rẻ
hơn và hiệu quả hơn như phương pháp tưới nhỏ giọt .