phóng xạ sinh vật học

CHƯƠNG VIII
PHÓNG XẠ SINH VẬT HỌC
( Bức xạ ion hóa đối với cơ thể sinh vật )
Chúng ta hiểu bức xạ ion hóa là những bức xạ mà trong quá trình tương
tác với vật chất tạo nên các chất ion (+), (-) và các electron tự do, một cách trực
tiếp hoặc gián tiếp. Trong phần này chúng ta đề cập đến các loại bức xạ là các
tia phóng xạ và tia rơnghen (tia X). Đó là những bức xạ ion hóa tác động đến cơ
thể sống, nhất là với con người.
I. Bản chất của một số loại bức xạ ion hóa
1. Tia phóng xạ :
Đó là những tia ion hóa được phát ra từ hạt nhân nguyên tử có tính phóng
xạ. Để hiểu rõ hơn bản chất và nguồn gốc các tia phóng xạ, chúng ta lần lượt
tìm hiểu sơ lược các vấn đề sau :
a. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
Năm 1932, Ivanenko và Haidenbec đưa ra giả thuyết: hạt nhân của mọi
nguyên tử đều được cấu thành từ 2 loại hạt sau.
- Proton (p) : Là loại hạt mang điện dương, về giá trị tuyệt đối đúng bằng
điện tích cơ bản tức là điện tích của 1 electron : 1,6.10
-19
C và có khối lượng
bằng khối lượng hạt nhân hydro nhẹ.
- Nơtron (n) : Là loại hạt trung hòa về điện, có khối lượng lớn hơn khối
lượng proton một ít ( m
p
= 1,00759 đvn; m
n
= 1,00898 đvn )
đvn : đơn vị khối lượng nguyên tử và bằng 1,66.10
-24
g.
Cả hai loại hạt proton và nơtron có một tên chung là nucleon ( cấu tử hạt

nhân ). Về sau người ta đã thừa nhận giả thuyết của 2 tác giả trên là hoàn toàn đúng.
Số proton trong hạt nhân bằng đúng số thứ tự z trong bảng tuần hoàn
Menđêleep của nguyên tố tương ứng. Z cũng chính là điện tích hạt nhân khi ta
tính bằng đơn vị điện tích nguyên tố. Tổng số các nucleon có trong hạt nhân là
số khối lượng và ký hiệu là A. Do đó số nơtron trong hạt nhân sẽ là : N = A - Z.
+ Người ta thường ký hiệu một hạt nhân nguyên tử như sau :
X
A
Z
hay
A
Z
X
, trong đó X là ký hiệu của nguyên tố hóa học tương ứng.
Ví dụ : Hạt nhân Heli
He
4
2
hoặc
4
2
He
( Z = 2, A = 4 )
+ Những hạt nhân có cùng số Z nhưng có số N khác nhau được gọi là
những hạt nhân đồng vị và các nguyên tố tương ứng gọi là các nguyên tố đồng
vị, chúng được xếp vào 1 ô của bảng phân loại tuần hoàn Menđêleep.
Ví dụ : Nguyên tố Hydro có 3 đồng vị
Hydro :
1
1

H
, Đơteri :
2
1
H
( hoặc
2
1
D
) (d), Triti :
3
1
H
( hoặc
3
1
T
) (t )
Thông thường mọi nguyên tố hóa học đều có những nguyên tố đồng vị
khác nhau.
Cacbon C
12
, C
13
, C
14
; N
14
, N
15

; O
16
, O
17
, O
18
.
+ Trong điều kiện bình thường hạt nhân ở trạng thái cơ bản ứng với mức
năng lượng thấp nhất gọi là mức năng lượng cơ bản E
0
. Trong điều kiện có tác
nhân kích thích, Hạt nhân được bổ sung một nguồn năng lượng, sự sắp xếp các
nucleon sẽ khác sự sắp xếp ở trạng thái cơ bản, hạt nhân bị kích thích ứng với
mức năng lượng E
i

( i = 1, 2, 3 n ). Tất nhiên E
i
> E
0
. Người ta nhận thấy với
một loại hạt nhân xác định các giá trị của E
i
là hữu hạn và xác định.
Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích ( E
i
) về một trong những
mức năng lượng thấp hơn ( E
0
) hạt nhân sẽ phát ra một proton có năng lượng

đúng bằng hiệu số hai mức năng lượng đó ( E
i
- E
0
). Như vậy hạt nhân là một hệ
lượng tử.
b. Hiện tượng phóng xạ. Bản chất và nguồn gốc tia phóng xạ.
Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự biến đổi để trở
thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác, hoặc một trạng thái năng lượng
cao về một trạng thái năng lượng thấp hơn, trong quá trình biến đổi đó hạt nhân
phát ra những tia không nhìn thấy được có năng lượng cao gọi là tia phóng xạ
hay bức xạ hạt nhân.
Nguyên tố hóa học mà hạt nhân của nó mang tính phóng xạ gọi là đồng
vị phóng xạ. Những đồng vị phóng xạ có sẵn trong thiên nhiên gọi là đồng vị
phóng xạ tự nhiên, những đồng vị phóng xạ do con người tạo ra gọi là đồng vị
phóng xạ nhân tạo.
Đồng vị phóng xạ bền bao gồm những chất có hạt nhân ở trạng thái ổn
định. Tỷ số n
0
/p = 1 - 1,5. Nếu như số nơtron quá nhiều hoặc quá ít thì hạt nhân
sẽ không tồn tại được và bị phân rã, tạo nên những hạt nhân nguyên tố khác, đó
là các đồng vị phóng xạ không bền. Trong quá trình phân rã hạt nhân từ các
đồng vị phóng xạ sẽ phát ra tia (
β
), tia alpha (
α
)và tia gama (
γ
).
+ Phân rã beta âm - negaton (

−
β
)
Trong hạt nhân của những đồng vị có số nơtron nhiều hơn số proton có
thể xảy ra hiện tượng biến một nơtron thành một proton đồng thời phát ra một
hạt electron ( hạt
−
β
). Electron này sinh ra từ trong lòng hạt nhân và không liên
quan gì với electron quỹ đạo.
2
Sơ đồ phân rã như sau :

A
Z
X

32
15
P
(14,2 ngày )


−
β

−
β
(1,71.MeV)

A
1Z
Y
+

32
16
S
Phương trình phân rã
−
β
như sau :
A
Z
X

A
1Z
Y
+
+
−
β
+ Q. ( n p +
−
β
+ Q )
Như vậy bức xạ
−

β
( negatron ) dẫn đến việc tăng điện tích hạt nhân lên
một đơn vị nhưng không làm thay đổi số khối.
+ Trong hạt nhân số proton nhiều hơn số nơtron có thể xảy ra hiện tượng
một proton thành nơtron đồng thời phát ra hạt pozitron (
+
β
) còn gọi là điện tử
dương ( e
+
).
Sơ đồ phân rã như sau :

A
Z
X

13
7
N
(10phút )


+
β

+
β
(1,2 MeV)

A
1-Z
Y

13
6
C

Phương trình phân rã
+
β
như sau :
A
Z
X

A
1-Z
Y
+
+
β
+ Q ( p n +
+
β
+ Q )
Về sau người ta nhận thấy trong các hiện tượng phân rã
±
β
ngoài

pozitron và negaton, từ hạt nhân còn phát ra một loại hạt khác gọi là nơtron (
ν
)
n p +
−
β
+
ν
+ Q
p n +
+
β
+
ν
+ Q
+ Phân rã (
α
) : Loại phân rã này chỉ xảy ra ở những hạt nhân của các
nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn. Trong quá trình này từ hạt nhân phát ra
hạt anpha (
α
). Hạt
α
là hạt nhân của nguyên tử Heli được tạo thành bởi mối
liên kết mạnh giữa một cặp proton và một cặp nơtron. Do đó sự phân rã này dẫn
đến làm giảm khối lượng và điện tích của hạt nhân ( khối lượng giảm 4, điện
tích giảm 2 )
3
Sơ đồ chung của phân xã
α

A
Z
X

226
88
Ra
(Ra : Rađi )

1
α
4,61Me
ν

2
α
4,79Me
ν

α
6,5%
γ
0,18Me
ν

4-A
2-Z
Y
222

n86
R
(Rn : Rađon )
Phương trình biến đổi của phân rã
α
là :
A
Z
X

4-A
2-Z
Y
+
4
2
He
+ Q
Q là năng lượng phát ra thể hiện dưới dạng động năng của các hạt
α
+ Phát xạ tia (
γ
) từ hạt nhân : Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái
bị kích thích về trạng thái cơ bản hay về trạng thái bị kích thích ứng với mức
năng lượng thấp hơn, từ hạt nhân sẽ phát ra tia gamma ( còn gọi là lượng tử
gamma, proton gamma ). Bản chất tia
γ
là sóng điện tử với bước sóng cực ngắn
(
0

1A<
λ
). Vì vậy quá trình phát ra tia
γ
không làm thay đổi cấu tạo của hạt nhân
mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó.
Đa số các hạt nhân mới tạo thành sau các phân rã
±
β
,
α
đều ở trạng thái
bị kích thích, vì vậy sau các phân rã này thường kèm theo phát ra tia gamma.
Sơ đồ phân rã phóng xạ phát ra tia
γ
60
027
C
(5,2 năm )
228
90
Th
(1,9
năm )

1
α

2
α

3
α
4
α
(5,17Me
ν
) (5,21Me
ν
) (5,34Me
ν
)
(5,42Me
ν
)

−
β
(0,31Me
ν
) (0,2%) (0,4%) (28%)
(71%)
100% 0,25Me
ν

1
γ



1

γ
2,5Me
ν
0,22Me
ν

3
γ

1,33Me
ν
0,08Me
ν

2
γ

2
γ
4
γ
4
60
028
N
0Me
ν
224
88
Ra

Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích E
i
về trạng thái có năng
lượng thấp E
p
giải phóng tia
γ

E = E
i
- E
p
=
h
ν
h : Hằng số plant
ν
: tần số
+ Tia
γ
có năng lượng < 100KeV gọi là tia mềm.
+ Tia
γ
có năng lượng 10KeV - MeV trong quá trình phân rã hạt nhân
chất đồng vị phóng xạ. Trong phản ứng hạt nhân tia
γ
có năng lượng khoảng
20MeV.
Trong phóng xạ sinh vật học người ta thường dùng nguồn tia γ là đồng vị

phóng xạ
60
Co
với thời gian bán phân rã là 5,3 năm.
60
Co

60
Ni
+
1
γ
+
2
γ
1
γ
có năng lượng 1,17 MeV
2
γ
có năng lượng 1,33MeV
+ Tia proton :
Trong các phản ứng hạt nhân cơ thể Proton được phóng ra.
Ví dụ : Khi bắn tia
α
vào
60
Ni

63

Zn
+ n
o


60
Ni
+
α

64
Zn

62
Zn
+ 2n
o
Cu
62
+ p + n
o
+ Tia nơtron :
Tia nơtron có thể tạo ra thành nhiều cách
9
4
Be
+
4
2
α

12
6
C
+ n
o
Tia nơtron không có khả năng gây hiệu ứng ion hóa chúng tương tác với
hạt nhân đánh bật Proton ra khỏi hạt nhân.
Nơtron + hạt nhân Proton
Ngoài ra còn có nơtron nhiệt không có khả năng đánh bật proton ra khỏi
hạt nhân mà chính chúng bị hạt nhân nguyên tử hấp phụ. Khi bị hấp phụ chúng
sẽ giải phóng ra tia
γ
cực mạnh.
Tia nơtron còn có thể thu được trong các lò phản ứng hạt nhân
235
92
U
+ n
o

83
36
Kr
+
150
56
Ba
+ 3n
o

+
γ
+ Q
235
92
U
+ n
o

90
38
Sr
+
144
54
Xe
+ 2n
o
+
γ
+ 200MeV
2.Tia Rơnghen
5
Năm 1895 nhà bác học Rơnghen người Đức trong quá trình nghiên cứu sự
phóng điện trong khí kém đã phát hiện ra một loại tia có khả năng đâm xuyên
qua lớp vật chất mỏng, làm đen kính ảnh. Rơnghen tên loại tia này là tia X, sau
này người ta gọi là tia Rơnghen
a.Nguồn phát tia Rơnghen :
Gồm 2 khối chính
Tia X

K
- Khối thứ nhất là 1 bóng rơnghen. Bóng này là 1 bóng thuỷ tinh kín, rút
khí tới chân không tuyệt đối trong bóng có : Katot (K) là sợi dây Vonphram
được đốt nóng bằng dòng điện hạ thế cường độ 3 - 5 A, khi Kanot nóng tới
khoảng 2000
0
C thì trở thành nguồn phát nhiệt điện tử .
Anot (A) thường làm bằng tungsten là kim loạ nặng có nhiệt độ nóng
chảy cao (3350
0
C). Các điện tử từ katot bắn sang đập vào anot làm cho nó nóng
lên rất nhanh, nên trong kỹ thuật người ta phải làm nguội anot.
-Khối thứ hai là bộ phận nguồn điện chủ yếu gồm
+Biến thế hạ thế cung cấp dòng điện đốt nóng Katot có hiệu thế 6 - 12V
+Biến thế tăng thế để cung cấp hiệu điện thế cao (100kV) giữa anot và katot.
+Các thiết bị điều khiển điện thế và cường độ dòng điện.
b. Bản chất tia X
Tia X có bản chất là sóng điện từ ( < 10A
0
)
Trong ống các điện tử nhanh bay từ katot được nung đỏ sẽ hãm lại ở vùng
anot và phát tia rơnghen. Theo điện động lực học cổ điển, một hạt tích điện khi
chuyển động có gia tốc sẽ phát sóng điện từ vào môi trường xung quanh. Điện
tử ở bóng rơnghen có gia tốc rất lớn nên đã pahts sóng điện từ, đó là tia
Rơnghen.
Khi điện tử đập vào anot thì 0,2% biến thành năng lượng tia rơnghen và
99,8% biến thành nhiệt.
6
Một số điện tử khi đập vào anot sẽ làm bật các điện tử từ quỹ đạo bên trong của
nguyên tử anot, vì Q liên kết của các điện tử với hạt nhân ở từng quỹ đạo có giá trị

khác nhau, năng lượng của tia Rơnghen sẽ đặc trưng cho quỹ đạo mà điện tử bị đánh
bật ra. Vì vậy tia rơnghen phóng ra bao gồm hàng loạt bước sóng đặc trưng, mỗi bước
sóng tương ứng với quỹ đạo nhất định trong nguyên tử
ε = hν = h
λ
e
= E
L.M
- E
K
ε : Năng lượng của photon rơnghen
λ : Bước sóng
E
K
mức năng lượng của điện tử ở vành K
E
L.M
: mức năng lượng ở vành L, M.
II.Những đơn vị đo lường cơ bản trong phóng xạ sinh vật
1.Rơnghen (R)
Rơnghen là hiện tượng bức xạ Rơnghen hay bức xạ γ cần thiết để có thể
tạo ra trong 1 cm
3
không khí 2,08.10
9
cawpk ion, hay khi chiếu liều lượng 1
Rơnghen thì 1gam không khí sẽ hấp thụ năng lượng là 84ec (erg)
1J = 6,25.10
18
eV.

1calo = 4,19J
2.Rađi (Rad)
Đơn vị để đo liều lượng hấp phụ. Nếu 1 gam vật chất hấp thụ 100 ec (erg)
đối với bất kỳ dạng bức xạ ion hoá nào là 1 rad
1rad = 0,01 Gy (Gray)
1Gy = 100Rad
3.Tương đương vật lý rơnghen
Là liều lượng của các loại tia hạt khi đi qua 1 gam vật chất bị hấp thụ 84
ec, nghĩa là h hấp thụ 1 năng lượng bằng năng lượng hấp thụ trong 1 gam không
khí khi chiếu xạ với liều 1 Rơnghen.
4.Tương đương sinh vật rơnghen
Lượng năng lượng của các loại tia hạt có khả năng gây hiệu ứng sinh vật
giống như hiệu ứng sinh vật do liều 1 Rơnghen của tia rơnghen hoặc tia γ gây ra
5.Suất liều lượng
Đối với phóng xạ sinh vật thời gian chiếu xạ giữ một vai trò quan trọng.
Với cùng 1 liều lượng của một loại tia nào nó, song thời gian chiếu xạ khác
nhau sẽ gây hiệu ứng sinh vật khác nhau
Suất liều lượng là đơn vị của tia trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thường
dùng là R/h, R/phút, R/gy, Rad/giờ, Rad/phút và Rad/giây.
7
III.Tương tác của bức xạ ion hoá đối với vật chất
1.Tương tác của tia
γ
, tia X với vật chất
Bản chất vật lý của tia rơnghen và tia gamma giống nhau do đó cơ chế tác
động của chúng với vật chất giống nhau, tia γ và tia X có bước sóng cực ngắn
nên E lớn.
Đối với tất cả các loại tia phóng xạ ion hoá thì mối liên quan giữa cường
độ của tia trước khi xuyên qua vật chất I
0

và sau khi đi qua vật chất I đều có thể
được mô tả bằng phương trình : I = I
0
.
-kx
e
k: hệ số hấp phụ của chất; I
0
: Cường độ tia tới.
I : cường độ tia đã xuyên qua vật chất ; x : Quãng đường đi
Tuỳ theo năng lượng của tia sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng, quá
trình hấp thụ năng lượng của vật chất có thể được thực hiện bởi một trong 3 cơ
chế cơ bản sau đây : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton và hiệu ứng tạo cặp.
Khi xuyên qua vật chất photôn năng lượng lớn (tia γ và tia X) truyền hết
năng lượng của nó một cách hoàn toàn cho vật chất. Sản phâm của quá trình
tương tác đó là những hạt vi mô tích điện ( điện tử pozitron) có năng lượng lớn.
Các hạt vi mô này sẽ ion hoá vật chất. Vì vậy người ta nói các photon năng
lượng lớn đã ion hoá gián tiếp vật chất.
Tương tác của photon năng lượng với vật chất thông qua 3 hiệu ứng sau
a .Hiệu ứng quang điện
Đó là hiện tượng các điện tử bị hút ra khỏi lớp vỏ điện tử của nguyên tử do
tác dụng của tia γ và tia X. Năng lượng này một phần dùng làm công ion hoá,
phần còn lại làm động năng cho điện tử Ed.
ε = h.ν = ω + Ed.
Như vậy muốn biết điện tử ra khỏi nguyên tử thì năng lượng của tia γ (tia
X) phải lớn hơn ω.
Về phía nguyên tử vật chất, khi một điện tử bị bật ra khỏi quỹ đạo, điện tử
khác ở vành ngoài có thể đến thế chỗ. Năng lượng dư thừa do sự chênh lệch của
Eq giữa hai quỹ đạo, sẽ được phát ra dưới dạng 1 photon ( gọi là bức xạ đặc
tính) (photon thứ cấp)

hν = Eq.L - Eq.K
EqK và EqL là Eq của điện tử ở vành K và vành L.
Người ta nhận thấy hiệu ứng quang điện thường xảy ra với những chùm
photon có năng lượng nhỏ hơn 0,1MeV.
b.Hiệu ứng Comtơn
Comtơn là người đầu tiên phát hiện thấy rằng photon có năng lượng
khoảng 0,1 - 2MeV đi qua vật chất sẽ tương tác với điện tử tự do trong đó điện
8
tử này nhận toàn bộ năng lượng ε = h.ν của photon tới, giữ lấy một phần làm
động năng của mình để dịch chuyển, phần còn lại sẽ phát ra dưới dạng một
photon khác có năng lượng nhỏ hơn ( tần số ν nhỏ hơn ) và có một hướng
truyền làm thành một góc với hướng truyền của nơtron tới. Người ta gọi là điện
tử lùi và photon thứ cấp của hiệu ứng comtown. Ta có : h.ν = h.ν ‘ + Ed.
h.ν : năng lượng photon tới
h.ν’ : năng lượng của photon thứ cấp. Ed : động năng của điện tử tự do.
Chính điện tử lùi với động năng Ed sẽ tiếp tục tương tác với vật chất gây
hiện tượng ion hoá như phần trên.
c.Hiệu ứng tạo cặp
Những photon có năng lượng bằng hoặc lớn hơn 1,02MeV có thể gây ra
hiệu ứng tạo cặp. Khi những photon đi đến gần hạt nhân có số Z lớn chúng
tương tác với trường hạt nhân và biến mất, đồng thời xuÍt hin một cặp pozitron -
electron. Như vậy năng lượng của photon đã chuyển hoá thành 2 hạt e
+
và e
-
và
động năng của chúng. Hệ thức năng lượng của quá trình tạo cặp là:
h.ν = Ed
+
+ Ed

-
+ 1,02 MeV
Trong đó Ed
+
, Ed
-
là động năng của pozitron và electron tính theo công
thức của Anhstanh E = mc
2
, trong đó E là năng lượng tương đương với khối
lượng m, c là vận tốc ánh sáng ( ∼300.000km/gy)
-Sau khi tạo thành các hạt này có khả năng tiếp tục ion hoá hay gây kích
thích chất hập phụ.
-Có khi chúng tương tác với nhau kèm theo giải phóng tia γ. Tia γ lại tác
dụng với vật chất theo hiệu ứng quang điện hoặc hiệu ứng comtơn.

e
-
e
+

9
h.ν ‘
Hi u ng comt nệ ứ ơ
h.ν
h.ν
Hi u ng quang đi nệ ứ ệ
e
L K
+

h.ν
Hi u ng t o c pệ ứ ạ ặ
e
-
e
+
2.Tương tác của các hạt vi mô tích điện với vật chất
Khi chùm hạt vi mô tích điện tương tác với vật chất nó có thể tương tác
với điện tử trên quỹ đạo hoặc với hạt nhân của nguyên tử vật chất.
a.Hạt vi mô tương tác với các điện tử quỹ đạo
Khi tương tác với vật chất, hạt vị mô dễ dàng truyền một phần năng lượng
của nó cho điện tử đang chuyển động trên quỹ đạo của nguyên tử vật chất. Năng
lượng này sẽ làm dịch chuyển điện tử từ quỹ đạo thấp lên quỹ đạo có năng
lượng lớn hơn mà không bức điện tử ra khỏi nguyên tử, do đó nguyên tử trở
thừnh trạng thái kích thích.
Năng lượng từ hạt tới cũng có thể làm một điện tử quỹ đạo bức ra khỏi
nguyên tử. Nguyên tử trở thành một cặp ion : ion âm ( điện tử bị bật ra ) và ion
dương ( phần còn lại của nguyên tử ). Như vậy là nguyên tử đã bị ion hoá. Điện
tử bật ra cũng có một động năng nhất định có thể gây ra hiện tượng ion hoá tiếp
theo với các nguyên tử và phân tử xung quanh. Cuối cùng không đủ năng lượng
để tương tác với nguyên tử khác chúng sẽ liên kết với ion trái dấu đeer thành
nguyên tử hoặc tồn tại tự do ở trạng thái chuyển động nhiệt.
Xác suất tương tác của các hạt vi mô để gây ra ion hoá tỷ lệ với khối
lượng, điện tích và tốc độ của chúng. Điện tích và khối lượng càng lớn, tốc độ
càng bé thì xác suất tương tác càng lớn. Do đó độ ion hoá của các hạt anpha lớn
hơn nhiều so với điện tử.
Hướng của hạt β khi tương tác với vật chất bị lệch đi nhiều hơn, tạo ra quỹ
đạo có nhiều gấp khúc.
Người ta gọi khả năng đâm xuyên vật chất của một chùm tia là quãng chạy.
Ví dụ : Quãng chạy R của tia α không vượt quá 10 cm

2
trong không khí;
0,1mm trong nước và 0,06mm trong nhôm.
b.Hạt vi mô tương tác với hạt nhân nguyên tử
Các hạt vi mô tích điện có thể gây ra phản ứng hạt nhân tạo ra các hạt nhân
nguyên tử mới như thí nghiệm của Rutherford (1919 )
27
13
Al
(α, η)
30
15
P
10
Khả năng này ít khi xảy ra nên không đề cập đến. Khi một hạt vi mô tích
điện tới gần hạt nhân thì chúng sẽ tương tác với nhau. Sự tương tác đó sẽ tạo ra
lực đẩy hoặc hút theo dấu điện tích của hạt tới. Do khối lượng của hạt nhỏ hơn
nhiều so với hạt nhân nên quỹ đạo và vận tốc của nó bị thay đổi nhiều, tạo ra
chuyển động cong và có gia tốc. Khi hạt vi mô chuyển động có gia tốc thì sẽ
phát ra sóng điện từ ( bức xạ photon). Hiện tượng này xảy ra với tất cả các hạt
vi mô nhưng đặc biệt quan trọng đối với điện tử. Bức xạ photon tạo ra ở đây gọi
là bức xạ hãm. Năng lượng của bức xạ hãm phụ thuộc vào gia tốc của chuyển
động, nghĩa là phụ thuộc vào số Z của nguyên tử vật chất nên trong thực tế
người ta ít dùng vật liệu có số Z lớn để che chắn các nguồn phát tia β.
Hạt pozitron khi tương tác với vật chất cũng gây ra hiện tượng kích thích,
ion hoá và tạo ra bức xạ hãm như điện tử (β
-
)
IV.Tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống
1.Đặc điểm tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống

a.Khả năng xuyên sâu
Khi đi qua vật chất chúng có khả năng xuyên sâu, chúng tương tác với tất
cả các nguyên tử, phân tử trên đường đi không phân biệt cấu trúc, trạng thái và
bản chất của vật bị chiếu xạ. Vì vậy các bức xạ ion hoá có thể xuyên qua các cơ
thể sống
b.Khả năng tích luỹ
Các loại tia phóng xạ đều có tác dụng tích luỹ đối với hệ thống sống.
Ví dụ : Liều lượng gây tử vong ở loài nào đó là 1000 R. Ta chiếu thành
nhiều lần. Lần 1 chiếu 200 R hiệu ứng sinh vật sẽ rất nhỏ, rồi sau một thời gian
lại chiếu thêm 200 R nữa, hiệu ứng sinh vật sẽ tăng lên và cứ như vậy đến khi ta
chiếu đủ 1000 R thì sinh vật sẽ chết. Điều này chứng tỏ các tia phóng xạ khi đi
qua cơ thể đều để lại những biến đổi sâu sắc.
c.Hiệu ứng nghịch lý năng lượng
Các tia phóng xạ ion hoá có khả năng gây hiệu ứng sinh vật rất lớn ngay cả
khi chiếu với liều không cao về mặt năng lượng.
Ví dụ : Liều chiếu gây tử vong cho hầu hết động vật có vú là 1000 R tương
đương với 84.000eV hay 6,002 cal/g như vậy Q của 1000 R chỉ đủ làm tăng
nhiệt độ của 1 g nước lên 1
0
C.
d.Hiệu ứng pha loãng
Khi có sự tác động của một liều lượng tia phóng xạ, trong dung dịch chiếu
xạ sẽ hình thành một số gốc tự do nhất định.
Đây li và Gray đã tiến hành nghiên cứu tác dụng của tia bức xạ ion hoá lên
dung dịch men cacboxypeptidaza nhận thấy.
11
-Khi nồng độ men trong dung dịch tăng lên thì số phân tử men bị khử hoạt
tính giảm xuống rõ rệt.
-Nếu nồng độ quá loãng (<10
-5

g/ml) thì số phân tử men bị khử hoạt tính
cũng giảm.
Người ta giải thích rằng khi nồng độ quá thssp các gốc tự do khó tìm thấy
phân tử men để tương tác, còn khi nồng độ quá cao xác suất tia phóng xạ bắn
vào phân tử men quá lớn gây tác dụng trực tiếp.
Hiệu ứng pha loãng nghiệm đúng với thí nghiệm invotro đối với dung dịch
men, dung dịch protein; không áp dụng được đối với dung dịch tế bào.
e.Hiệu ứng oxy
Người ta nhận thấy độ nhạy cảm phóng xạ của các cơ thể sống tăng lên rõ
rệt khi nồng độ oxy của môi trường trong thời gian chiếu xạ tăng lên và ngược lại.
Ví dụ : Cấy vi khuẩn trong môi trường không có oxy ( trước và sau khi
chiếu xạ ) hiệu ứng này không xuất hiện. Hiệu ứng này xuất hiện khi thay đổi
nồng độ oxy trong khi.
Khi giảm nồng độ oxy trong không khí từ 21% xuống 5% trong khi chiếu
xạ cho chuột bạch với liều 1200 R thì chuột sống 100% còn ở lô đối chứng
chiếu ở điều kiện bình thường chuột chết hết.
Graay đã giải thích cơ chế hiệu ứng oxy như sau : Các gốc tự do hình
thành khi chiếu xạ nước là H* và OH* khi có oxy sẽ thay đổi (cơ chế trực tiếp).
H* + O
2
HO
2
*, HO
2
* tham gia vào phản ứng với các phân tử hữu cơ
trong nguyên sinh chất rất cao tạo thành các gốc hữu cơ, các gốc hữu cơ khi có
oxy sẽ tạo ta peroxit hữu cơ.
RH + OH* R* + H
2
O

R* + O
2
RO
2

( peroxit hữu cơ )
Alexander giải thích bằng cơ chế tác dụng trực tiếp là khi chiếu xạ lên cơ
thể sinh vật, các phân tử hữu cơ hình thành các gốc hữu cơ. Nếu có oxy sẽ tạo
ra peroxit hữu cơ (RO
2
) là loại chất độc làm tăng mức độ tổn thương của cơ thể
RH + h R*
R* + O
2
RO
2
g.Hiệu ứng bảo vệ phóng xạ
Dây li (1942) nghiên cứu tác dụng của tia Rơnghen tới các loại men đã
phát hiện rằng men khi có thioure, lưu huỳnh khi chiếu xạ thì số phần tử men bị
khử hoạt tính giảm xuống.
Baron (1949) cũng nhận thấy khả năng bảo vệ phóng xạ của axit amin
Xistein chứa các nhóm SH.
Để đánh giá tác dụng bảo vệ của các chất người ta thường dùng đại lượng
yếu tố giảm liều lượng viết tắt YTGLL.
12
Đại lượng này được xác định bằng tỷ số của liều lượng tia phóng xạ gây tử
vong 50% số động vật nghiên cứu bị chiếu xạ sau 30 ngày khi chúng được tiêm
một liều chất bảo vệ phóng xạ (LD 50/30 bảo vệ ) trên liều lượng phóng xạ gây
tử vong 50% số động vật nghiên cứu không được tiêm chất bảo vệ (LD50/30)
sao 30 ngày.

YTGLL =
vãûcháút baío coï khäng LD50/30
vãûcháút baío coï 50/30 LD
Đại lượng YTGLL ở các chất bảo vệ phóng xạ tìm được hiện nay tốt nhất
cũng chỉ xấp xỉ 2.
Để giải thích cơ chế của hiệu ứng này có 2 quan điểm khác nhau.
-Theo cơ chế tác dụng gián tiếp, thì các chất bảo vệ có trong cơ thể có ái lực
cao với các gốc tự do, do đó làm giảm tác dụng của các gốc tự do đối với cơ thể.
-Theo cơ chế tác dụng trực tiếp, thì năng lượng do phân tử nghiên cứu hấp
thu khi bị chiếu xạ có thể được truyền cho chất bảo vệ phóng xạ có khả năng
tham gia vào phản ứng cạnh tranh với các gốc tự do hữu cơ, được hình thành
trong hệ bị chiếu xạ và khử hoạt tính của chúng, một số chất bảo vệ phóng xạ
có khả năng làm thay đổi phản ứng của cơ thể đối với tác dụng của tia phóng xạ
như gây có động mạch, giảm áp suất oxy bên trong có thể hoặc giải phóng
những chất bảo vệ sẵn có trong cơ thể.
2.Tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống
a.Tổn thương ở mức độ phân tử
Trong các cơ thể sống có các phân tử vô cơ và hữu cơ nhưng quan trọng
nhất là các đại phân tử hữu cơ. Dưới tác dụng của tia phóng xạ các đại phân tử
hữu cơ bị biến đổi do phá vỡ các liên kết, phân ly của các phân tử hoặc tạo ra
các sản phẩm hoá học mới gây nên tổn thương lớn hơn và lan rộng hơn.
Biểu hiện của các tổn thương phân tử do chiếu xạ là :
-Giảm hàm lượng của một chất hữu cơ nhất định nào đó sau khi chiếu xạ.
Ví dụ : enzym, protein dặc hiệu, các axit nhân.
-Hoạt tính sinh học của các phân tử hữu cơ bị suy giảm hoặc mất hết do
cấu trúc phân tử bị phá vỡ hoặc bị tổn thương.
-Tăng hàm lượng các chất có hại cho cơ thể.
Phân tử ADN có các dạng tổn thương như sau :
-Tổn thương các bazơ và các gốc đường (đột biến)
-Gãy mạch nối đơn trong cấu trúc của ADN.

-Phá huỷ cấu trúc không gian của ADN.
Với các phân tử protein, tác dụng của tia phóng xạ lại càng phức tạp, bao
gồm các loại biến đổi như sau :
-Đứt gãy mạch chính làm giảm trọng lượng phân tử protein.
13
-Khâu mạch : là sự chắp nối sai lệch các mãnh lại với nhau.
-Phá huỷ cấu trúc thứ cấp, cấu trúc không gian (phá vỡ các liên kết H-H; S-H
Từ những biến đổi trên đã làm thay đổi tính chất hoá lý các phân tử
protein dẫn đến thay đổi hoạt tính sinh học của nó.
b.Tổn thương ở mức tế bào
Khi các phân tử cấu tạo nên tế bào bị tổn thương o bức xạ thì hoạt động
chức năng và đời sống tế bào bị ảnh hưởng.
Mỗi loại tế bào đều có một chức năng nhất định. Sự mất chức năng của tế
bào gắn liền với những phân tử nào đó. Người ta gọi các phân tử quyết định
chức năng và đời sống của tế bào là “phân tử chủ chốt” (Key molecules). Nếu
các phân tử đó bị tổn thương, chức năng của tế bào bị rối loạn hoặc tế bào bị
chết. Người ta đã đưa ra giả thuyết tâm nhạy và còn gọi là thuyết bia (Target
theory). Các phân tử chủ chốt nằm ở tâm nhạy của tế bào. Nếu tâm nhạy bị hư
hại thì tế bào chết.
Rối loạn chức năng của tế bào cũng gắn liền với hiện tượng nhiễm độc tố
mới được tạo ra do chiếu xạ (Thuyết độc tố) hoặc các men tràn ra từ sự phá huỷ
các tiểu vật trong bào tương (thuyết giải phóng men).
Một chức năng quan trọng của tế bào là chức năng sinh sản, đó là khả năng
phân chia tế bào tạo ra các tế bào mới cho thế hệ sau. Khả năng đó có thể mất
tạm thời hoặc vĩnh viễn dưới tác dụng của bức xạ ion hoá.
Có 2 biểu hiện tổn thương chức năng sinh sản
-Sự phân bào bị chậm trễ.
-Tế bào chết.
Những tế bào chết ngay có thể do thương tổn nặng ở nhận, ở các thể nhiễm
sắc, lúc này tế bào mất khả năng sản xuất các enzym cần thiết cho sự sống của

nó và cho sự phân bào.
c.Tổn thương ở các mô
Sự hư hại của nhiều tế bào dẫn đến tổn thương ở mô. Tổn thương mô do
bức xạ phụ thuộc nhiều yếu tố nhưng quan trọng hơn cả là độ nhạy cảm phóng
xạ. Có thể chia ra 5 loại mô có đọ nhạy cảm phóng xạ khác nhau .
-Rất nhạy cảm : Tuỷ xương, tổ chức lymphô, sinh dục và niêm mạc ruột.
-Nhạy cảm vừa : da và niêm mạc của các tạng.
-Nhạy cảm trung bình : mô liên kết, mao mạch, sụn xương.
-Nhạy cảm thấp : xương, các phủ tạng, tuyến nội tiết.
-Rất ít nhạy cảm : cơ bắp, các nơ ron thần kinh
Ví dụ : Ở các mô sinh dục, bức xạ ion hoá có thể tiêu diệt các tế bào sinh tinh ở
mô sinh dục nam. Người ta thấy với liều 5- 6 Gy đã có thể gây nên chứng vô sinh ở
nam giới. Liều LD
50
đối với các nang ở buồng trứng là 0,1 Gy. Ngoài việc tiêu diệt
14
các tế bào ở buồng trứng gây vô sinh nữ, các tia phóng xạ còn có thể gây nên các rối
loạn hoocmon buồng trứng và biểu hiện bằng rối loạn kinh nguyệt.
Trên da và niêm mạc. Liều 10Gy gây viêm đỏ da, liều 15Gy gây viêm khô
và liều 30 Gy gây hoại tử da. Với liều lớn (25-45Gy) có thể gây ra các vết loét
dạ dày, ruột.
d.Tổn thương toàn thân
Độ nhạy cảm phóng xạ của các loài sinh vật cũng khác nhau và tuỳ thuộc
vào cấu trúc và mối liên hệ với môi trường sống của nó. Sinh vật đơn bào có dô
nhạy cảm thấp nhất. Độ nhạy cảm phóng xạ của động vật cao hơn thực vật.
Trong cùng một loài độ nhạy cảm của từng cá thể cũng khác nhau và thay đổi
tuỳ theo giai đoạn phát triển của nó. Lúc còn non, lúc sinh đẻ, lúc bị bệnh thì
tính nhạy cảm cao hơn lúc trưởng thành, khoẻ mạnh.
Con người là sinh vật cao cấp nhất với môi trường xung quanh so với các
loài sinh vật khác. Vì vậy độ nhạy cảm phóng xạ của con người là cao nhất.

Tác dụng của tia phóng xạ lên toàn cơ thể đặc trưng nhất là gây bênh ung
thư. Ung thư có thể xuất hiện sơm hay muộn sau khi chiếu xạ, gây ra do bị
chiếu một liều lớn hoặc liều nhỏ mà lặp đi lặp lại (khả năng tích luỹ).
Bệnh máu trắng là một thể lâm sàng của bệnh ung thư hay gặp do bức xạ ion
hoá do các vụ nổ hạt nhân (Hiroshima, Nagashaki ở Nhật) hoặc sự cố hạt nhân
(Trecnobưl ở Nga). Hoặc một số ung thư do nghề nghiệp : ung thư da ở bác sĩ chuyên
kho X quang, ung thư xương ở những người dùng bột vẽ có chứa Photpho phóng xạ.
Về cơ chế gây ung thư hiện nay tồn tại 2 giả thuyết. Giả thuyết về đột biến
gen và giả thuyết về virus. Tia phóng xạ có thể đã tăng xác suất đột biến gen
trong tế bào của các virus đặc hiệu tại đó.
Trường hợp ung thư đầu tiên do nhiễm xạ được mô tả từ năm 1902, 7 năm
sau khi phát minh ra tia X. Sau đó là hàng trăm trường hợp ung thư da do tia X
được phát hiện.
Trong phóng xạ sinh học người ta dùng một khái niệm làm chỉ tiêu theo
dõi trong thực nghiệm là liều chết 50% số sinh vật bị chiếu xạ toàn thân ký hiệu
là LD
50
. Số lượng đó có thể khác nhau tuỳ thời gian quan sát kéo dài và thông
thường là 30 ngày và được ký hiệu là LD
50/30
. Liều LD
50/30
ở một số sinh vật như
sau : Bảng: Liều LD
50/30
của một số sinh vật
Đối tượng LD
50/30
(R) Đối tượng LD
50/30

(R)
Amib 100.000 Chuột nhắt 550
Ốc sên 20.000 Chó 400
Thỏ 800 Người 400
15
V.Ứng dụng của bức xạ ion hoá trong y sinh học
1.Phương pháp phân tích cấu trúc vật chất bằng chùm tia X
a.Phân tích cấu trúc vĩ mô của vật chất
Cơ sở của phương pháp này là qui luật hấp thụ và sự phụ thuộc của hệ số
hấp thụ vào đặc tính cấu trúc của vật cần nghiên cứu : những phần dầy mỏng
khác nhau có khối lượng riêng khác nhau sẽ hấp thụ tia rơnghen không đồng
đều như nhau.
Sơ đồ phương pháp này như sau
Khối (1) là một chùm tia X cường độ đồng dều trên một tiết diện đủ bao
quát đối tượng nghiên cứu (2). Chùm tia X sau khi đi qua đối tượng bị hấp thụ
khác nhau ở những vùng khác nhau của tiết diện, nghĩa là vùng nào hấp thụ ít
thì chùm tia ló mạnh và ngược lại. Chùm tia ló bây giờ tạo một ảnh ẩn của cấu
trúc bên trong đối tượng khối 3 có thể là màn huỳnh quang (ở đây tia X bị hấp
thụ và phát ra tia huỳnh quang nhìn thấy được). Nơi nào có chùm tia X đập vào
mạnh thì phát ánh sáng mạnh và ngược. Khối 3 cũng có thể là phim ảnh và sự
khác nhau về cường độ I thể hiện bằng độ sáng tối trên phim.
Gần đây kỹ thuật chụp cắt lớp bằng tia X (computerized tomography : CT
scanner ) được ứng dụng nhiều để chẩn đoán bệnh. Kỹ thuật CT Scanner do
Hounsfield (Anh) và Cormak (Mỹ) phát minh ra tia X của Rơnghen, nên năm
1979 họ đã được giải Nobel về Y học. Chiếc máy CT Scanner đầu tiên trên thế
giới hoạt động ở Anh năm 1971 và ở Việt Nam xuất hiện đầu tiên năm 1991 tại
bệnh viện Hữu nghị Việt Xô. Từ khi có CT Scanner chất lượng chẩn đoán đã có
những thay đổi hẳn nhất là các bệnh ở sọ não.
b.Phân tích cấu trúc vi mô vật chất bằng tia X
Chủ yếu dùng để nghiên cứu cấu trúc tunh thể. Cơ sở của phương pháp

này là dựa vào hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và giao thoa của tia X khi
gặp những điều kiện thích hợp. J.D.Watson, HC Crick và Kendrew J.C đã có
đóng góp rất quan trọng trong việc xác lập mô hình cấu trúc phân tử ADN,
ARN bằng tia X. Phương pháp này còn được sử dụng để xác lập cấu trúc của các
virus gây bệnh.
16
1
2
3
2. Ứng dụng các đồng vị, phóng xạ vào y sinh học
a.Phương pháp đánh dấu phóng xạ :
Có thể dùng để nghiên cứu sự chuyển hóa và biến đổi của
-Một nguyên tố (
22
Na,
24
Na, I
131
, I
132
)
-Một hợp chất hữu cơ (thay thế C
14
, H
3
, I
131
trong chất hữu cơ.
-Một loạt tế bào hay một loài sinh vật
b. Dùng làm nguồn chiếu tia

Nguồn chiếu tia có thể là Radium (điều trị ung thư). Tia X, Nguồn Coban
(Co
60
). Bức xạ gamma phát ra từ Co
60
có năng lượng là 1,17 và 1,33 MeV,
nguồn Xezi (Cs
137
) phát ra bức xạ gamma có năng lượng là 0,661 MeV. Mục
đích của việc chiếu xạ.
-Tiêu diệt nấm, mốc, vi sinh vật gây bệnh.
-Tiêu huỷ hoặc kìm hãm sự phát triển của các tế bào bệnh như tế bào ung
thư, tế bào nội tiết cường năng, phát triển quá mạnh.
-Kích thích cây trồng, hạt giống và gây đột biến gen có lợi để tạo giống
mới (Co
60
và Cs
137
).
17