Vat ly quang tuyên tac dung sinh hoc an toan bx 10 2011 moi (1)

Vật lý quang tuyến, tác dụng sinh học
và an toàn phóng xạ
PGS.TS Phạm Minh Thơng
Ths. Vũ Đăng Lưu

1


I- Cơ sở vật lý
1. Nguyên tử, hạt nhân và các tia bức xạ
2. Tương tác của bức xạ với vật chất và
sự suy giảm của chùm tia bức xạ khi đi
qua vật chất
3. Các đơn vị đo lường bức xạ

2


1.1. NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ CÁC
TIA BỨC XẠ

1.1.1. Nguyên tử
Nguyên tố:

-Tất cả các vật chất đều cấu tạo từ các
nguyên tố.
- Nguyên tố gồm các nguyên tử nằm trong
cùng
một
ôphần
trongtử

bảng
tuần
hoàn
Nguyên
tử:
nhỏ
nhất
mà một
Mendeleev
nguyên tố hóa học có thể phân chia ra
được mà không mất đi tính chất hóa học
của nó.
Cấu trúc của nguyên tử: cấu tạo
- từ hạt nhân điện tích dương nằm ở giữa
- các êlectrôn điện tích âm chuyền động
trên các qũy đạo xung quanh hạt nhân. 3


Hạt
nhân

Z=
+13e
Z=
-13e

Nguyên tử : trung hòa về điện tích: VD

ngun tử nhơm
hạt nhân mang điện tích dương Z = +13e

13 electron mang điện tích âm tổng cộng4
bằng -13e


Kích thước, khối lượng nguyên tử và hạt
nhân:
-KT: Nguyên tử có đường kính khoảng 10-10
m
Hạt nhân có kích thước khoảng 10-15 m
- Khối lượng:
+ Hạt nhân chiếm phần lớn khối lượng
nguyên tử
+ Khối lượng các êlectrôn không đáng
kể.
Ví du: ï Hydrogen:
khối lượng hạt nhân bằng 1,67343.10-27 kg
5
khối lượng êlectrôn bằng 9,1091.10-31 kg.


Các êlectrôn chuyển động trên các
qũy đạo xung quanh hạt nhân:
- Các êlectrôn chuyển
động trên các qũy đạo
hay các lớp vỏ, mà tại
đó êlectrôn tồn tại
Hạt
K nhân
một cách độc lập và M L
có năng lượng xác định.

- Ở qũy đạo càng thấp,
năng lượng liên kết của
êlectrôn
càng
lớùn.
Theo thứ tự từ tâm ra,
được ký hiệu
Các
làlớp
K, L,của
M, các êlectrôn qũy
N.
đạo trong nguyên tử natrium (11
êlectrôn).
6


Trạng thái cơ bản của nguyên tử:
- Các êlectrôn của nguyên tử chiếm đầy các
trạng thái thấp nhất ở các qũy đạo thấp
nhất.
- Ví dụ nguyên tử Na có 11 êlectrôn:
+ ù 2 êlectrôn chiếm nằm ở lớp K
+ 8 êlectrôn nằm ở lớp L
+ 1 êlectrôn còn lại nằm ở lớp M.
- Các êlectrôn nằm ở lớp càng thấp thì càng
bị lực tác dụng hút mạnh vào hạt nhân
7

Trạng thái kích thích của nguyên tử:
- Khi một êlectrôn nào đó được cung cấp năng
lượng chuyển từ lớp dưới lên lớp trên và để
lại một lỗ trống ở lớp mà nó vừa bỏ đi thì
nguyên tử ở trạng thái kích thích.
Ion hóa nguyên tử:
-Nếu được cung cấp một năng lượng rất lớn,
êlectrôn có thể thoát ra ngoài nguyên tử,
và để lại một lỗ trống tại lớp nó vừa bỏ đi.
Khi đó ta nói nguyên tử bị ion hóa.
- Khi đó nguyên tử có điện tích dương bằng điện
tích các êlectrôn bay ra ngoài.
8


Tia X: Khi nguyên tử bị kích thích hay bị ion
hóa, vị trí cũ của êlectrôn trở thành lỗ
trống. Nếu một êlectrôn nào đó ở lớp
cao hơn rơi vào lỗ trống ở lớp thấp hơn
thì nó giải phóng năng lượng dưới dạng
bức xạ điện từ. Khi lổ trống ở lớp K hay
lớp L thì năng lượng bức xạ điện từ khá
lớn và được gọi
là tia X
lectrôn
Tia X

lớp L
Lỗ trống
lớp K

M
K

L

Nguyên tử
bức xạ tia X
9


1.1.2. Hạt nhân
Cấu trúc của hạt nhân:
- Cấu tạo từ các nucleon gồm
prôtôn ( p) có điện tích dương + e
và các nơtrôn (n): hạt trung hịa.
-Khối lượng cỡ 1840 lần khối lượng êlectrôn:
trong đó khối lượng nơtrôn lớn hơn khối lượng
prôtôn một ít.

10


1.1.2. Hạt nhân
Số nguyên tử và số khối lượng của hạt
nhân:
-Số các prôtôn trong hạt nhân gọi là số
nguyên tử (Z), nó là số điện tích dương của
hạt nhân.
- Số các nucleon trong hạt nhân gọi là số khối
lượng (A).

Nếu gọi số nơtrôn trong hạt nhân
Ký hiệu hạt nhân:
là N
Ta ký hiệu hạt nhân X có số khối lượng A và
Thì nguyên
ta có A =
ZZ
+ là
N. XA .
số
từ
Z
VD: Hạt nhân lithium có A = 7 và Z = 3 nên
11
được ký hiệu là 3Li7


Các hạt nhân đồng vị:
-Các hạt nhân đồng vị là các hạt nhân có
cùng số nguyên tử Z nhưng khác nhau về số
khối lượng A.
VD: Nguyên tố lithium hợp thành từ các
nguyên tử có hạt nhân 3Li7 (92,5%) và 3Li6
(7,5%).
- Đối với mỗi nguyên tố tỉ lệ giữa các
đồng vị thành phần trong nó gọi là độ phổ
biến.
Ví dụ độ phổ biến của đồng vị trong nguyên
tố lithium là 3Li7 92,5%
12

Đồng vị phóng xạ:
-Các hạt nhân đồng vị gồm hai loại:
+ Đồng vị bền
+ Đồng vị phóng xạ: thường phát ra các bức xạ để
trở thành các đồng vị bền. Tính chất phát bức xạ
này gọi là tính phóng xạ
Đồng vị phóng xạ tự nhiên: có sẵn trong
thiên nhiên như K40 , U238, Th232, v.v.
Đồng vị phóng xạ nhân tạo: được chế tạo
trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc, ví
dụ Am241, Cs137, Co60,131I, 99mTc v.v.
13


Đơn vị đo năng lượng:
-Năng lượng tia bức xạ thường đo bằng đơn vị
êlectrôn-volt, viết tắt là eV.
- Đó là năng lượng của êlectrôn, có điện tích
bằng e = 1,6.10-19 C, được gia tốc trong hiệu
điện thế 1 volt.
- Liên hệ giữa eV và các đơn vị năng lượng
thường dùng J và erg như sau :
1 eV = 1,6021.10-19 J = 1,6021.10-12 erg

14


1.1.3 Bức xạ ion hóa

• Nguồn gốc:
- Tự nhiên: đất, đá, Uran, Th..
- Nhân tạo: do con người tạo ra: nghiên
cứu và ứng dụng của con người
• 2 dạng bức xạ ion hóa
- Dạng hạt: anpha, beta, nơ trơn
- Dạng sóng điện từ: tia X và Gamma
15


1.1.3 Bức xạ ion hóa
•
•
•

Có 2 đặc thù:
Ion hóa vật chất
Có tính đâm xun
Vật lý: khơng nhận biết được
Là đối tượng quan tâm trong an toàn
bức xạ

16


Các bức xa ion hóa ï
a. Hạt α :
Hạt α là hạt nhân nguyên tử helium, có 2
prôtôn và 2 nơtrôn. Số khối =4
- Phân rã α xuất hiện đối với các nguyên

tố có số khối lượng lớn và là các nguyên
tố phóng xạ tự nhiên. (Radi (Ra) và Radon (Rn).
- Một số đồng vị phóng xạ nhân tạo có số
khối lượng trong khoảng 60-85 cũng phát xạ
α.
Ký hiệu quá trình phân hủy α như sau:
A
X
Z

→

α

+

A-4
Y
Z-2

17


Tính chất của hạt α:
- Có khối lượng lớn bằng khoảng 4 lần
khối lượng hạt nhân hydrogen và có điện tích
bằng +2
- Gây ion hóa mạnh khi đi ngang qua môi
trường
- Đâm xun kém

- Quãng đường chạy rất ngắn khi đi qua
môi trường
+ 20mm trong khơng khí
+ 0,03mm trong mơ cơ thể sống
18


b. Hạt bêta (β - ) và pôsitrôn (β + )
- Hạt β - là hạt có khối lượng bằng khối lượng
êlectrôn và điện tích bằng - e.
-Hạt β + là hạt có khối lượng bằng khối lượng
êlectrôn và điện tích bằng +e, gọi là hạt
pôsitrôn. (lỗ)
- Các hạt này không có trong thành phần
của hạt nhân. Chúng được sinh ra nhờ các
quá trình sau:
1
1
0
(tỉ số n/p cao); phân rã β 0n → 1p + -1e
p1

1

β

+

→ 0

n1 + +1e0

(tỉ số n/p thấp); phân rã
19


Một số tính chất của hạt β :
- Hạt β - có điện tích -1 còn hạt β + có điện
tích +1.
- Ion hóa vật chất như hạt α nhưng cường độ
bé hơn hạt α.
- Quãng đường hấp thụ phụ thuộc vào năng
lượng:
quãng đường trong không khí khoảng vài mét
(11m)
trong mô cơ thế sống là 17mm
20


c. Tia gamma (γ )
Tia γ

-Là một loại bức xạ điện từ
- Có năng lượng từ 10 keV đến hàng chục MeV
- Không có khối lượng và không có điện tích
- Quá trình phân rã γ thường xảy ra sau quá
trình phóng các hạt α hoặc β, khi hạt nhân cuối
ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ
bản

21


Một số tính chất của tia γ :
- Đó là bức xạ điện từ, không có điện tích
- Ion hóa vật chất không trực tiếp
- Có khả năng đâm xuyên sâu:
Năng lượng càng cao, khả năng đâm xuyên
càng lớn.
Tia γ có thể dễ dàng đâm xuyên qua cơ thể
người

22


d. Tia X:
Tia X cũng là một loại bức xạ điện từ như tia γ
nhưng năng lượng thấp hơn, khoảng từ vài keV
đến vài trăm keV. Có hai cơ chế sinh tia X:
1. Khi êlectrôn bay đến gần hạt nhân của
bia thì thay đổi quỹ đạo và mất một phần năng
lượng. Động năng mất này được phát sinh ra
dưới dạng tia X, gọi là bremstrahlung.
2. Khi êlectrôn va chạm và đánh bật một
êlectrôn, chẳng hạn êlectrôn ở vỏ K, và để
lại lổ trống ở đó. Một êlectrôn ở vỏ cao hơn,
chẳng hạn vỏ L, về chiếm chỗå trống và năng
lượng thừa được giải phóng bằng cách phát ra
tia X đặc tröng.- X-ray fluorescence

23


Một số tính chất của tia X:
Tia X cũng có tính chất như tia gamma nhưng do
năng lượng thấp hơn nên khả năng đâm
xuyên thấp hơn. Năng lượng tia X thường từ
vài keV đến vài trăm keV.
Bê tông,
chì, thép
Thủy tinh
hữu cơ
Tờ giấy
α

β

γ

Khả năng đâm xuyên
của các tia bức xạ

24


25