Tác dụng của tia phóng xạ đối với môi trường vật chất

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (960.53 KB, 32 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
WX

Đề tài:

Giáo viên hướng dẫn:
TS. VÕ XN ÂN
Học viên thực hiện:
LÝ DUY NHẤT
HUỲNH NGUYỄN THANH TRÚC

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2010
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TIA BỨC XẠ
Các bức xạ được khảo sát bao gồm các hạt tích điện như alpha và beta, các tia
gamma và tia X. Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia
bức xạ được truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc
vào loại và năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của môi trường hấp thụ. Các
hiệu ứng chung khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hóa nguyên
tử của môi trường hấp thụ.
1. TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT
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.
1.1. Sự ion hóa
Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác
tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường.
Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng
t
E
để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng
k
E
của electron bị bắn ra
liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử
E và độ mất năng lượng
t
E
như sau:
Trang: 1
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

kt
E EE= −
(1.1)
Trong đó năng lượng ion hóa
E
được xác định theo công thức:
1
1
E Rh Rh
⎛⎞
=−=−

⎜⎟
∞
⎝⎠
.
Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa
nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron).
Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng
t
E
để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo
đường đi của mình, nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion.
Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion
hóa. Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên
tử.
Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa
chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Do đó, hạt beta chuyển
động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và
cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng.
1.2.

Độ ion hóa riêng
Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được một
centimet trong môi trường hấp thụ. Độ ion hóa riêng khá cao đối với các hạt beta năng
lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta và đạt cực tiểu ở năng lượng
khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm (hình 1.1).

Trang: 2
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta
do ion hóa và kích thích, một thông số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều bức

xạ và tính toán hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của
hạt beta tuân theo công thức:

2
494
2
26222
2 (3.10 )
ln /
(1,6.10 ) (1 )
mk
m
EE
dE q NZ
MeV cm
dx E I
β
π
β
ββ
−
⎧⎫
⎡⎤
⎪⎪
=
⎨⎬
⎢⎥
−
⎪⎪
⎣⎦

⎩⎭
−
(1.1)
Trong đó: , điện tích của electron.
-19
q = l,6.10 C
là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm
3
.
N
là số nguyên tử của chất hấp thụ.
Z
, số electron của không khí ở nhiệt độ 0
o
C và
áp suất 76 cm thủy ngân.
20 3
3,88.10 /
NZ cm
=

0,51
m
E MeV=
, năng lượng tĩnh của electron.

k
E
là động năng của hạt beta.

/vc
β
=
, trong đó là vận tốc của hạt beta còn c = 3.10
10
cm/s.
v

-5
8,6.10
I MeV=
đối với không khí và
(
-5
1,36.10 )
I ZMeV=
đối
với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp
thụ.
Nếu biết trước đại lượng w, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ
ion hóa riêng s được tính theo công thức sau:

/( /
(/.)
dE dx eV cm
s
weV ci
=
)
(1.2)

Trong đó là cặp ion.
.ci
1.3.

Hệ số truyền năng lượng tuyến tính
Độ ion hóa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hóa. Khi quan tâm
đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi
trường khi hạt beta đi qua nó. Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng lượng nói trên là
hệ số truyền năng lượng tuyến tính.
Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được định nghĩa
theo công thức sau:
Trang: 3
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

dE

d
LET =


(1.3)
Trong đó là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ
khi đi qua quãng đường dài
d
. Đơn vị đo thường dùng đối với LET là
dE


/keV m
μ

.
1.4.

Bức xạ hãm
Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột
hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm,
hay Bremsstrahlung. Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại
bằng động năng của hạt beta. Khó tính toán dạng của phân bố năng lượng các bức xạ
hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm.
Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức
gần đúng sau đây:
(1.4)
-4
max
f = 3,5.10 ZE
β
Trong đó
f
là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, là số nguyên tử của
chất hấp thụ và (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta.
Z
max
E
β
1.5.

Quãng chạy của hạt beta trong vật chất
Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được một
quãng đường hữu hạn. Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất, chùm
tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó. Khoảng đường đi này gọi là

quãng chạy (range) của hạt beta, quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng tia
beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ. Biết được quãng chạy của hạt beta với
năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho
trước. Một đại lượng thường dùng khi tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ
một nữa (absorber half - thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt
beta ban đầu còn lại 1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ
dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy. Hình 1.2 trình bày sự phụ thuộc
quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số chất hấp
thụ thông dụng. Hình 1.2 cho thấy rằng quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho
trước giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ.
Trang: 4
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

Ngoài bề dày tuyến tính (linear thickness) tính theo centimet người ta còn dùng
bề dày mật độ (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm
2
, được
xác định như sau:
d
m
d
(1.5)
23
(/ ) (/ ). ( )
m
d g cm g cm d cm
ρ
=
Trong đó:
ρ

là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm
3
.
Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán vì khi đó bề dày không
phụ thuộc vào vật liệu cụ thể.

Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính
theo đơn vị bề dày mật độ vào năng lượng của nó. Đường cong này dùng thay cho các
đường cong trên hình 1.2 khi tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ.
Trang: 5
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
Đường cong quãng chạy - năng lượng trên hình 1.3 được biểu diễn bằng công thức
sau đây:
Đối với miền năng lượng beta
0,01 2,5 E MeV≤ ≤

1,265 0.0954ln
= 412.
E
RE
−
(1.6)
Đối với miền quãng chạy
R < 1200
.

1
2
ln 6,63 3,2376.(10,2146 ln )E R=− −

(1.7)
Đối với miền năng lượng beta
E > 2,5 MeV
và miền quãng chạy
R > 1200
.

530 106RE
= −
(1.8)
Trong đó
R
là quãng chạy, tính theo mg/cm
2
và
E
là năng lượng cực đại của tia
beta, tính theo đơn vị MeV.
2.

TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT
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 alpha 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 alpha:
88 86 2
226 222 4
Ra Rn He→+

Hạt alpha mang điện dương.

2.1.

Truyền năng lượng của hạt alpha
Cũng giống như hạt beta, hạt alpha khi đi qua môi trường vật chất cũng bị mất năng
lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trường hấp thụ. Khi đi qua phần
Trang: 6
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
không khí của tế bào xốp, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình
35 eV
cho
một cặp ion. Do hạt alpha có điện tích lớn hơn hạt beta hai lần và khối lượng rất lớn,
dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng
hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí (hình 1.4).

Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt
electron, trong đó có hạt alpha, tuân theo công thức:

24 94 2 2 2
26 22
4 (3.10 ) 2
ln ln 1 /
.1,6.10
dE z q NZ Mv v v
Mev cm
dx Mv I c c
π
−
⎧⎫
⎛⎞

⎪⎪
=−−−−
⎨⎬
⎜⎟
⎪⎪
⎝⎠
⎩⎭
(1.9)
Trong đó:
z
là số nguyên tử của hạt gây ion hóa,
z = 2
đối hạt alpha.
, điện tích của electron.
-19
1,6.10q= C
g
s

zq
là điện tích của hạt gây ion hóa.

M
là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hóa.
đối với hạt alpha.

-24
6,6.10M=
là vận tốc của hạt gây ion hóa.
v

là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm
3
.
N
là số nguyên tử của chất hấp thụ.
Z
là số electron của chất hấp thụ trong 1 cm
3
.
NZ
, là vận tốc ánh sáng.
10
3.10 /ccm=

-5
8,6.10I MeV=
đối với không khí và
(
-5
1,36.10 )I ZMeV=
đối
với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp
thụ.
Trang: 7
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
2.2.

Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất
Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa. Trong
không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra

cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng chạy của nó có kích
thước cỡ micromet. Có hai định nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy
trung bình và quãng chạy ngoại suy, được minh họa trên hình 1.5.

Trên hình 1.5, đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn
năng lượng. Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất
hấp thụ. Quãng chạy trung bình được một nữa chiều cao đường hấp thụ còn quãng
chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0.
3.

TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VÀ TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT
3.1.

Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường
Tia X và tia gamma có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng
cao. Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta
gọi là tương tác của tia gamma với vật chất.
Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các
bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy
hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ
gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị
hấp thụ hoàn toàn.
Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu
o
I
. Sự thay đổi
cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:
Trang: 8
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

dI Idx
μ
= −
(1.10)
Trong đó
μ
là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại lượng
này có thứ nguyên (độ dày)
-1
và thường tính theo cm
-1
. Từ (1.10) có thể viết phương
trình:

dI
dx
I
μ
=−

Giải phương trình ta được:

x
o
I Ie
μ
−
=
(1.11)
Hệ số suy giảm tuyến tính

μ
phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật
độ vật liệu môi trường
(,)E
μ μρ
=
.
3.2.

Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất
Do sự tương tác của các tia X và tia gamma với vật chất có tính chất chung nên để
đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất. Tương tác của gamma không
gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác
với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp
electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương
+e). Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia gamma
năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh học
phóng xạ. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang
điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
3.2.1.

Hiệu ứng quang điện
Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng
lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron
này được gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận được động năng
E
e
bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết E
B
của electron

trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra. Hình 1.6a
Trang: 9
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

eB
E EE= −
(1.12)
Theo công thức (1.12) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên
kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Tương tác này ra với xác suất lớn
nhất khi năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các
lớp trong cùng. Hình 1.6b
Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm
3
1
E
. Xác suất tổng
cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo
k
E E≥
trong đó E
k

là năng lượng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật
7
2
1
E
còn khi E >> E

k
theo
quy luật
1
E
.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang
điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z
5
. Như vậy tiết diện hiệu ứng quang điện:
5
7/2
photo
Z
E
ρ
∼
khi
k
E E≥
và
5
photo
Z
E
ρ
∼
khi E >> E
k.

Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với
các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các
nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể
ở vùng năng lượng thấp.
Trang: 10
Tiểu luận: TÁC DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng
K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra. Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp
vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy. Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng.
3.2.2.

Hiệu ứng Compton
Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ
đạo ngoài. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron
được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.7a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi
như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình1.7b).

Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển
động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng
lượng gamma E
’
và electron E
e
sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ
ϕ
gamma sau tán
xạ:

(1 cos )
1(1cos