BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG

BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG
I. Mẫu nguyên tử Bor
1.1.Mô hình nguyên tử
Năm 1911, sau nhiều công trình nghiên cứu công phu, Rơ-dơ-pho (Rutherford) đã đề
xướng ra mẫu hành tinh nguyên tử. Tuy nhiên mẫu này gặp phải những khó khăn là không
giải thích được sự tạo thành các quang phổ vạch của các nguyên tử và tính bền vững của các
nguyên tử.
Thực vậy, chuyển động của các êlectron quanh hạt nhân bao giờ cũng có gia tốc hướng
tâm. Theo thuyết điện từ, một điện tích chuyển động có gia tốc bao giờ cũng phát ra sóng
điện từ. Như vậy năng lượng của nguyên tử sẽ giảm dần và êlectron sẽ phải rơi vào hạt nhân.
Năm 1913, Bohr đã vận dụng thuyết lượng tử vào hệ thống nguyên tử và đề ra một mẫu
nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bo. Mẫu này đã giải thích được sự tạo thành quang phổ
vạch của các nguyên tử, đặt biệt là nguyên tử hidrô.
Trong mẫu này, Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, nhưng ông
cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật đặc biệt có tính lượng tử mà ông
đề ra dưới dạng hai giả thuyết. Người ta gọi chúng là hai tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên
tử.
1.2. Các tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên tử
1.2.1. Tiên đề về các trạng thái dừng
Nguyên tử chỉ tồn tại trong một sồ trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các
trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. Trong các
trang thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ
đạo có bán kính hoàn toàn xác định được gọi là quỹ đạo dừng.

Bình thường, nguyên tử ở trong trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và êlectron
chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất. Đó là trạng thái cơ bản.
* Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng
cao hơn và êlectron chuyển động trên những quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Đó là các trạng thái
kích thích.
* Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì bán kính quỹ đạo của êlectron

càng lớn và càng kém bền vững, Thời gian sống trung bình của nguyên tử trong các trạng
thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10
-8
s). Sau đó nó chuyển dần về các trạng thái có năng
lượng thấp hơn, và cuối cùng về trạng thái cơ bản.
* Bohr tìm được công thức tính bán kính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử
hiđrô:

Đối với nguyên tử hidrô, bán kính các quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ với bình phương của các
số nguyên liên tiếp:
Trang 1

Bán kính: r
0
4 r
0
9 r
0
16 r
0
25 r
0
36 r
0
Tên quỹ đạo: K L M N O P

n 1 2 3 4 5 6...
Tên quỹ
đạo
K L M N O P...

Với r
0
= 5,3.10
-11
m; r
0
gọi là bán kính Bo.
Ta hiểu năng lượng của nguyên tử bao gồm động năng của êlectron và thế năng tương
tác tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân.

1.2.2. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (E
n
) sang trạng thái dừng
có năng lượng thấp hơn (E
m
) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng
hiệu E
n
– E
m
:
ε = hf
nm
= E
n
– E
m
Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái có năng lượng E
m

mà hấp thụ
được một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu E
n
– E
m
thì nó chuyển lên trạng thái
dừng có năng lượng cao E
n
. (H.47.1)
Tiên đề này cho thấy: nếu một chất hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì nó
cũng có thể phát ra ánh sáng có bước sóng ấy.





Hình 47.1
II. Phóng xạ đối với cơ thể sống
2.1.Con người và phóng xạ
Muốn đánh giá một cách chính xác những nguy cơ có liên quan đến các bức xạ ion
hóa, cần phải xét đến sự chiếu xạ tự nhiên mà con người hàng ngày nhận được. Tất cả sinh
vật trên trái đất đều thích nghi và có khả năng sửa chữa đến một mức độ nào đó những tổn
thương do chiếu xạ tự nhiên gây ra.
Hàng ngày con người nhận được các bức xạ ion hóa từ các nguồn khác nhau (Nguồn CEA -
ủy hội năng lượng nguyên tử Pháp):
+ Phóng xạ đến từ các tia vũ trụ, mặt trời và trái đất: 60%
+ Phóng xạ từ các điều trị y tế: 28%
+ Phóng xạ của chính cơ thể con người: 10%
+ Phóng xạ từ các nguồn nhân tạo khác: 2%.
Trang 2

Đối với các nguồn chiếu xạ từ bên ngoài cơ thể, tia vũ trụ là nguồn chiếu xạ quan
trọng nhất. Các bức xạ này đến từ không gian bên ngoài trái đất, đặc biệt là mặt trời. Lớp vỏ
khí quyển trái đất là lớp bảo vệ hữu hiệu con người dưới tác động của các tia vũ trụ này. Khi
ta lên cao thì liều chiếu xạ bởi các tia vũ trụ này sẽ tăng lên. Liều chiếu xạ tăng lên gấp 100
lần đối với người khi đi trên máy bay đường dài, so với đi trên mặt nước biển.
Các nguyên tố phóng xạ chứa trong đất chủ yếu là Uran, Heli, Kali, Cacbon… Một số
vùng trên thế giới, nơi chứa nhiều đá granit, liều chiếu xạ sẽ lớn hơn so với các vùng khác.
Tính toán cho thấy, trong 1 tấn granit có khoảng 3 gram Uran và các đồng vị phóng xạ khác.
Những chất khí phóng xạ thoát ra từ một số sản phẩm phân rã Uran chứa trong đất
như Radon, hay Kali, Chì trong thức ăn mà chúng ta hấp thu một phần vào cơ thể cũng gây
ra trong cơ thể một liều phóng xạ lớn nhất - Phóng xạ từ bên trong.
Nguồn chiếu xạ nhân tạo: liều lượng chiếu xạ lớn nhất con người nhận được từ nguồn
chiếu xạ nhân tạo là từ các hoạt động y tế (X-quang…), sau đó là các hoạt động công nghiệp
phi hạt nhân: Đốt than đá, sử dụng phân bón Kali, đồng hồ kim dạ quang… Cuối cùng là các
hoạt động hạt nhân: nhà máy tái chế biến chất thải hạt nhân, bụi rơi từ các cuộc thử vũ khí
hạt nhân trước đây và của tai nạn Chenobyl…
Trung bình một năm mỗi người chúng ta nhận một liều chiếu xạ tương đương khoảng 2,5
mili Sivert.
Các nguyên tố phóng xạ hiện diện trên trái đất phát ra các bức xạ alpha, beta, gamma
và các hạt nơtron.
Tia alpha: Là chùm hạt nhân của nguyên tử Heli chuyển động với vận tốc 107 m/s.
Tia beta: Chùm các hạt electron hoặc phản hạt electron (positron) chuyển động với vận tốc
gần bằng vận tốc ánh sáng. Có hai loại tia β:
Tia β+ gồm các phản hạt electron (positron) mang điện tích dương -1,6.10
-19
C
Tia β- gồm các hạt electron mang điện tích âm -1,6.10
-19
C

Tia gamma: Là bức xạ điện từ, có bước sóng 10-13 m, có tính chất vừa sóng vừa hạt giống
tia X.
Tia nơtron: Là chùm các hạt không mang điện tích….
+ Khả năng xuyên thấu:
Do năng lượng của chúng, các bức xạ ion hóa có khả năng xuyên thấu, nghĩa là có
khả năng đi xuyên qua vật chất. Trong quá trình đi xuyên qua vật chất, các tia bức xạ truyền
một phần năng lượng của mình cho các hạt vật chất của môi trường xung quanh, hoặc bị các
hạt vật chất của môi trường xung quanh hấp thụ.
Tia α: sức xuyên thấu trong không khí kém, chỉ một tờ giấy mỏng cũng đủ để ngăn
chặn các hạt nhân Heli.
Tia β-: electron, có sức xuyên thấu kém, chỉ đi trong không khí được vài mét. Một lá
nhôm vài milimet là có thể năng chặn các hạt electron.
Trang 3

Tia β+: positron, không có khả năng xuyên thấu, chúng bị hấp thụ ngay tại chỗ khi
gặp hạt electron đầu tiên trên đường đi của nó, positron sẽ bị phá hủy và tạo thành hai
photon γ, do đó vấn đề trở thành vấn đề xuyên thấu của tia γ.
Tia γ: Sức xuyên thấu lớn, tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Một lớp bê tông hay
chì dầy có thể ngăn chặn được chúng.
Nơtron: Sức xuyên thấu tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Một lớp bê tông, nước,
hay paraphin dày có thể ngăn được nơtron.
Tùy theo cách mà bức xạ tác động lên cơ thể con người, người ta chia ra làm hai kiểu
chiếu xạ: Chiếu xạ từ bên ngoài và chiếu xạ từ bên trong.
Chiếu xạ từ bên ngoài: Nguồn chiếu xạ nằm ngoài cơ thể con người. Việc chiếu xạ
xảy ra khi con người nằm trên đường đi của các tia bức xạ phát ra từ một thiết bị phát bức xạ
hay các chất phóng xạ nằm bên ngoài cơ thể con người. Việc chiếu xạ có thể xảy ra đối với
toàn bộ cơ thể hoặc đối với một phần cơ thể con người. Nó ngừng lại khi cơ thể con người
không nằm trên đường đi của bức xạ nữa.
Chiếu xạ từ bên trong: Chiếu xạ xảy ra khi chất phóng xạ nằm bên trong cơ thể,
những chất này gây ra sự chiếu xạ từ bên trong. Các chất phóng xạ này có thể vào bên

trong cơ thể con người bằng đường hô hấp, ăn uống, tổn thương da, sau đó la truyền
bên trong cơ thể. Sự nhiễm xạ này chỉ hết khi chất phóng xạ bị đào thảo ra khỏi cơ
thể do sự bài tiết và suy giảm cường độ phóng xạ.
2.2.Chiếu xạ tác động lên cơ thể người
Các hiệu ứng của bức xạ tử ngoại (mặt trời) đã được nhiều người biết. Nếu như với
liều lượng nhỏ thì chúng gần như vô hại, nhưng nếu với liều lượng lớn, chúng có thể gây
nguy hiểm. Ví dụ như phơi nắng quá lâu có thể gây nên hiện tượng cảm nắng, cháy da do tác
dụng của các tia tử ngoại, nếu lâu ngày có thể gây nên ung thư da.
Các bức xạ ion hóa góp phần vào việc ion hóa các phần tử trong cơ thể sống, tùy theo
liều lượng nhận được và loại bức xạ, hiệu ứng của chúng có thể gây hại ít nhiều cho cơ thể.
Có hai cơ chế tác động bức xạ lên cơ thể con người:
Cơ chế trực tiếp: bức xạ trực tiếp gây iôn hóa các phân tử trong tế bào làm đứt gãy
liên kết trong các gen, các nhiễm sắc thể, làm sai lệch cấu trúc và tổn thương đến chức năng
của tế bào.
Cơ chế gián tiếp: Khi phân tử nước trong cơ thể bị ion hóa sẽ tạo ra các gốc tự do,
các gốc này có hoạt tính hóa học mạnh sẽ hủy hoại các thành phần hữu cơ trong tế bào, như
các enzyme, protein, lipid trong tế bào và phân tử ADN, làm tê liệt các chức năng của các tế
bào lành khác. Khi số tế bào bị hại, bị chết vượt quá khả năng phục hồi của mô hay cơ quan
thì chức năng của mô hay cơ quan sẽ bị rối loạn hoặc tê liệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe.
Hiệu ứng tức thời: Khi cơ thể nhận được một sự chiếu xạ mạnh bởi các bức xạ ion
hóa, và trong một thời gian ngắn sẽ gây ra hiệu ứng tức thời lên cơ thể sống. Làm ảnh hưởng
trực tiếp đến hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương. Các ảnh hưởng trên đều có
chung một số triệu chứng như: buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những
thay đổi khác. Đối với da, liều cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét, đối
với tuyến sinh dục gây vô sinh tạm thời, đối với mắt gây hư hại giác mạc, kết mạc.
Trang 4

Hiệu ứng lâu dài: Chiếu xạ bằng các bức xạ ion hóa với liều lượng cao hay thấp đều
có thể gây nên các hiệu ứng lâu dài dưới dạng các bệnh ung thư, bệnh máu trắng, ung thư
xương, ung thư phổi, đục thủy tinh thể, giảm thọ, rối loạn di truyền... Bức xạ từ tia α khi đi

vào cơ thể mô sống, chúng sẽ bị hãm lại một cách nhanh chóng và truyền năng lượng của
chúng ngay tại chỗ. Vì vậy với cùng một liều lượng như nhau, nhưng tia α nguy hiểm hơn so
với các tia β, γ là các bức xạ đi sâu vào sâu bên trong cơ thể và truyền từng phần năng lượng
trên đường đi.
2.3.Hiệu ứng sinh học của bức xạ
2.3.1. Tác dụng sinh học của điều trị tia xạ
a. Cấu tạo tế bào của cơ thể người
Cơ thể người cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não,… Các cơ quan được cấu tạo
từ các mô như mô mỡ, da, xương …Các mô được cấu tạo từ các tế bào. Tế bào là đơn vị
sống cơ bản, kích thước tế bào khoảng 20micromet. Trong cơ thể con người có khoảng 10
13
đến 10
14
tế bào. Tương tác giữa các bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế
bào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng
một cách hỗn loạn dẫn đến ung thư.
Tế bào gồm có một nhân ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương, bao bọc
quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào. Mỗi bộ phận thực hiện chức năng riêng rẽ.
- Màng tế bào thực hiện chao đổi chất với môi trường ngoài.
- Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các
phần tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa), hay tổng hợp các phân tử
cần thiết cho tế bào.
- Trong nhân có ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thực
hiện sự tổng hợp chất.
- ADN cũng chứa thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào.
Tác dụng của sinh học chính của bức xạ là sự phá hỏng ADN của tế bào.
Hình 1.1 Cấu tạo tế bào của cơ thể người
b. Cơ sở sinh học của điều trị tia xạ
Trang 5

Năm (1943), tác giả Albert Bechem đã xuất bản cuốn sách “các nguyên tắc liều
lượng Radium, và tia X”, được xem là cơ sở sinh học phóng xạ:
Vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ hơn. Các tế bào cơ thể trong giai
đoạn phân chia nhạy cảm với tia xạ nhất. Ngày nay ta còn áp dụng phương pháp tăng Oxy,
tăng nhiệt ở vùng chiếu tia. Để đề ra các kỹ thuật chỉ định tia xạ, người ta dựa trên các pha
“phase” phân chia của tế bào, trên sự phản ứng của các chất gian bào, hình 1-2 (trong việc
bảo vệ các tổ chức lành).
Tất cả các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tại khối u,
giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh. Muốn vậy phải dựa trên sự khác nhau về
độ nhạy cảm tia xạ của các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào cụ thể. Tế bào biệt hóa
kháng tia hơn loại không biệt hóa. Phân bố hợp lý tổng liều điều trị và liều lượng mỗi lần
chiếu.
Chu kỳ sinh sản tế bào:
Sự tổng hợp S (Sythesis).
Phân chia M (Mitotic).
Sau phân chia G
1
:
+ S: Pha này kéo dài từ 1,5
÷
36
h
, trung bình 8
h
, kháng tia.
+ G
2
: 30
÷
1,5

h
+ M: 30
÷
2,5
h
nhạy cảm tia nhất.
+ G
1
: Kéo dài hàng tháng.
Chu kỳ sinh sản của tế bào được đưa trong hình 1-2.
Trang 6