Hiện tượng phóng xạ – Bệnh viện Quân Y 103

1. Cấu trúc của nguyên tử

1.1. Mô hình cấu trúc nguyên tử

Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của một nguyên tố không hề chia tách được bằng giải pháp hoá học .

Theo mô hình cấu trúc của BOHR-RUTHERFORD nguyên tử gồm có nhân và lớp vỏ điện tử bao quanh.

Theo giả thuyết của Ivanenkô – Haidenbec đưa ra năm 1932 thì proton ( p ) và neutron ( n ) là những hạt cơ bản cấu trúc nên nhân nguyên tử ( gọi chung là nucleon ). Số proton trong hạt nhân đúng bằng số thứ tự Z trong bảng tuần hoàn Menđêlêep của nguyên tố tương ứng. Z cũng chính là điện tích hạt nhân khi tính bằng đơn vị chức năng điện tích nguyên tố .
p : điện tích + 1 tương tự 1,6. 10-19 C ; khối lượng mp = 938,2 MeV, hay 1,007276 u = 1836 me ( u : đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử ) .
n : được phát hiện năm 1932, điện tích = 0 ; mn = 939,5 MeV ; ( khối lượng tuyệt đối = 1,6747. 10-27 kg ) ; = 1,008665 u = 1838 me
Trong nhân neutron hoàn toàn có thể chuyển thành proton và proton hoàn toàn có thể chuyển thành neutron : n ® p + e – + g
p ® n + e + + g
e : electron là hạt cơ bản được THOMPSON phát hiện năm 1897, có điện tích âm = 1,602 × 10-19 C ( Coulomb ) ; me = 9,108. 10-31 kg hay 0,000548 u hay 0,511 MeV ( 1 u = 1,66. 10 – 27 kg = 931,4 MeV ) .
Mỗi nhân nguyên tử có một số lượng nhất định p bằng số thứ tự Z, tổng số n + p = A gọi là số khối. Để ký hiệu một nguyên tố X, viết như sau : ZXA ( ví dụ điển hình 2H e4 ; 3L i7 ) hoặc thông dụng là : AX. Thí dụ : 131I 99 mTc .
Các nhân nguyên tử có cùng số nguyên tử Z nhưng khác nhau về số khối A được gọi là những đồng vị. Các đồng vị giống nhau về đặc thù hoá học nhưng khác nhau về đặc tính vật lý. Các đồng vị được xếp vào cùng một ô trong bảng tuần hoàn những nguyên tố. Chẳng hạn carbon có 3 đồng vị : 6C12, 6C13 6C14 ; ôxy có 3 đồng vị 8O16, 8O17, 8O18 …
Khó hoàn toàn có thể xác lập được những điện tử quay quanh nhân theo những con đường rõ ràng nào. Người ta gọi chung là đám mây điện tử. Điện tử được phân bổ và hoạt động trên quỹ đạo với Phần Trăm nhất định. Quỹ đạo gần nhân nhất được gọi là quỹ đạo K, sau đó là quỹ đạo L, M, N … Mỗi quỹ đạo chỉ chứa một số lượng điện tử nhất định, quỹ đạo K chỉ chứa tối đa là 2, quỹ đạo L tối đa là 8. Sự phân bổ số lượng điện tử tuân theo quy luật 2 n2, trong đó n là số thứ tự quỹ đạo tính từ quỹ đạo gần nhân nhất, đơn cử K = 1, L = 2, M = 3 … Các điện tử khi nào cũng lấp đầy ở quỹ đạo bên trong, còn dư mới sắp xếp ở quỹ đạo bên ngoài. Những điện tử ở quỹ đạo bên ngoài có link với nhân nguyên tử không mạnh như điện tử ở những lớp bên trong, thế cho nên dễ tham gia phản ứng hoá học và cũng dễ bị bật ra để tạo thành ion khi bị bức xạ mạnh ảnh hưởng tác động vào .

Trong nguyên tử, điện tử có hai dạng nguồn năng lượng : động năng bằng nguồn năng lượng của tốc độ trên quỹ đạo, thế năng bằng nguồn năng lượng do vị trí của điện tử so với nhân, càng cách xa nhân thì thế năng càng lớn. Điện tử ở quỹ đạo ngoài sẽ có thế năng lớn hơn ( và cả động năng ) so với điện tử quỹ đạo trong. Năng lượng điện tử được tính bằng đơn vị chức năng điện tử vôn ( electronvolt, eV ). Giả sử có 2 điện cực ở cách nhau một khoảng chừng và điện thế giữa 2 điện cực là 1 volt thì một điện tử từ cực âm sẽ chạy sang cực dương với mức nguồn năng lượng là 1 điện tử von, viết tắt là 1 eV. Nếu giữa hai điện cực chênh nhau một điện thế là 1000V thì điện tử sẽ có nguồn năng lượng là 1000 eV, hoặc viết là 1 keV. 1 eV = 1,602 × 10 ‑ 19 ­ J .

1.2. Lực hạt nhân

Các hạt tích điện tương tác với nhau qua một lực gọi là lực điện ( hoặc lực Coulomb ), đó là lực hút nếu những điện tích trái dấu và là lực đẩy nếu hai điện tích cùng dấu. Khi khoảng cách giữa hai hạt tích điện càng xa thì lực điện càng yếu và ngược lại. Sự biến thiên tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Chính lực điện đã giữ cho điện tử sống sót trên quỹ đạo quanh nhân vì có lực hút của proton tích điện dương. Điện tử ở gần nhân sẽ bị hút mạnh hơn. Trong điều kiện kèm theo thông thường, những nguyên tử đều trung hoà về điện, vì điện tích dương của những proton vừa bằng những điện tích âm của những điện tử trên quỹ đạo .
Neutron trung hoà về điện nên không có lực điện tương tác giữa hai neutron hoặc giữa proton và neutron. Trái lại, có lực đẩy rất lớn giữa những proton với nhau vì đều là điện tích dương. Nhưng những proton vẫn gần kề với nhau trong nhân nhờ có một lực thứ 2 gọi là lực hạt nhân mạnh hoặc lực tương tác mạnh. Lực này mặc dầu mạnh hơn lực điện khi những hạt trong nhân gần kề nhau ( trong khoanh vùng phạm vi 10-15 m ), nhưng lại giảm rất nhanh xuống gần như bằng 0 khi những hạt cách nhau một khoảng chừng > 10-15 m. Lực tương tác mạnh không nhờ vào vào điện tích, tương tác so với hai loại nucleon ( n-n ; n-p ; p-p ) là như nhau .
Lực hạt nhân có đặc thù bão hoà : nghĩa là mỗi nucleon chỉ tương tác với một số ít nucleon ở lân cận quanh nó chứ không tương tác với mọi nucleon của hạt nhân. Một dạng lực thứ 3 rất đáng quan tâm vì nó hoàn toàn có thể làm quy đổi ( transmutation ), ví dụ điển hình chuyển proton thành neutron và ngược lại. Lực này yếu hơn lực điện và lực tương tác mạnh nên được gọi là lực tương tác yếu ( weak interaction ), hoạt động giải trí trong vùng lân cận những hạt cơ bản và khoanh vùng phạm vi hiệu lực thực thi hiện hành dưới 10-14 cm .

Còn có một lực thứ 4 tác động ảnh hưởng lên toàn bộ những thành phần của nguyên tử, đó là trọng trường ( gravity ), là lực hút so với tổng thể những đối tượng người tiêu dùng có trọng khối hoặc có nguồn năng lượng. Nhưng về độ lớn thì lực trọng trường nhỏ hơn lực điện khoảng chừng 1040 lần, nên trong thực tiễn không có ảnh hưởng tác động gì đến nguyên tử. Như vậy, lực hạt nhân có đặc thù :
. Là tương tác gần ( khoảng cách 10-15 m ) .
. Độ lớn không nhờ vào điện tích : p-p ; p-n ; n-n như nhau .
. Là tương tác mạnh .

1.3. Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân

Để đo khối lượng những hạt trong vật lý hạt nhân, người ta dùng đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử ( kí hiệu là u ). Theo định nghĩa một đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử bằng 1/12 khối lượng nguyên tử đồng vị carbon ( 12C ) .
1 u = 1,660 × 10-27 kg
Năm 1905, Einstein đề ra thuyết tương đối. Một trong những điểm quan trọng của thuyết này là : nguồn năng lượng của một vật thể không riêng gì nhờ vào vào động năng và thế năng mà còn phụ thuộc vào vào trọng khối của nó ở trạng thái tĩnh. Khi một vật thể nhận thêm hoặc mất đi thế năng hoặc động năng thì trọng khối của nó cũng biến hóa theo và luôn tương tự nhau. Theo hệ thức Einstein giữa khối lượng và nguồn năng lượng : W = mC2 thì một hạt nhân có khối lượng m = 1 u sẽ có nguồn năng lượng tương ứng là : W = 931,4 MeV .
Các phép đo chính xác chứng tỏ rằng một hạt nhân được hình thành từ Z proton và N neutron, khi link thấy khối lượng những hạt Zmp + Nmn lớn hơn khối lượng nhân hình thành M. Đại lượng Dm = ( Zmp + Nmn ) – M được gọi là độ hụt khối. Theo Einstein : độ hụt khối xảy ra là do có nguồn năng lượng link hạt nhân : W = DmC2 ( C là tốc độ ánh sáng, C = 3.108 m / s ) .
Khi chưa tạo thành hạt nhân, những nucleon có nguồn năng lượng :
W1 = ( Zmp + Nmn ) C2
Khi phối hợp : W2 = MC2 ; DW = W1 – W2 = DmC2, nguồn năng lượng này có tính năng link những nucleon với nhau .
Nếu khối lượng tính ra kg thì nguồn năng lượng link tính ra jun. Thường người ta tính khối lượng ra đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử ( u ) và khi đó nguồn năng lượng được tính ra MeV .
Thí dụ : 4H e2 có 2 p và 2 n : 2 mp + 2 mn = 4,03314 u
M = 4,00276 u. DW = W1 – W2 = DmC2 = 28,28 MeV .
Năng lượng link tỷ suất với số khối A. Tuy nhiên, để nhìn nhận đúng mực hơn tính vững chắc của hạt nhân, người ta dùng khái niệm nguồn năng lượng link riêng : e = DW / A. Hạt nhân có e càng lớn càng vững chắc. Đối với những hạt nhân nhẹ nhất, nguồn năng lượng link riêng tăng nhanh từ 1,1 MeV ( 2H1 ) đến 2,8 MeV ( 3H1 ) và đạt giá trị 7 MeV ở 2H e4. Đối với những hạt nhân nặng có số khối A từ 140 đến 240 thì nguồn năng lượng link riêng giảm dần nhưng rất chậm : từ 8M eV đến khoảng chừng 7M eV. Đối với những hạt nhân trung bình với A từ 40-140 thì nguồn năng lượng link riêng có giá trị lớn nhất nằm trong khoảng chừng 8 – 8,6 MeV .

2. Hiện tượng phóng xạ

Không bao lâu sau ý tưởng của Roentgen về những tia mang tên ông, năm 1896 Becquerel đã tìm ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên khi quan sát thấy muối uran và những hợp chất của nó có tính phát ra những tia không nhìn thấy được và có sức đâm xuyên khá mạnh. Năm 1902 Curie tìm ra đồng vị phóng xạ Radium, năm 1932 người ta xác nhận sự sống sót của neutron và dùng neutrron bắn phá những hạt nhân khác sẽ thu được những hạt nhân phóng xạ mới .

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử biến đổi để trở thành một hạt nhân nguyên tử khác hoặc ở trạng thái năng lượng khác, trong quá trình biến đổi đó hạt nhân phát ra những tia có năng lượng lớn gọi là các tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân.

1.2.1. Phóng xạ tự nhiên

Sự phối hợp proton và neutron trong nhân theo một tỷ suất nhất định. Trạng thái bền vững và kiên cố của nhân gọi là trạng thái cơ sở. Khi nhân không trong trạng thái không thay đổi, những hạt cơ bản bị kích thích và giải phóng nguồn năng lượng để chuyển về trạng thái cơ sở .
+ Trạng thái kích thích ( excited ) : khi đó nhân không không thay đổi, sống sót trong thời hạn rất ngắn và chuyển về trạng thái khác .
+ Trạng thái cận không thay đổi ( metastable ) : nhân không không thay đổi nhưng sống sót với thời hạn tương đối dài trước khi chuyển sang trạng thái khác ( như 99 mTc ) .
Một nguyên tử có tỷ suất proton hoặc neutron trong nhân thích hợp thì nhân không thay đổi. Khi có dư proton hoặc neutron thì cân đối giữa lực hút và lực đẩy của những nucleon bị mất đi, nhân nguyên tử phải có sự biến chuyển : hoặc phát ra bức xạ hoặc phá vỡ nhân thành hai mảnh nhỏ để trở về trạng thái không thay đổi. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ. Nguyên nhân của sự phân rã rất phức tạp, nhưng tổng quát chung là sự cạnh tranh đối đầu giữa hai lực ở trong nhân : lực hút của những nucleon và lực đẩy của những proton cùng điện tích dương. Khi nhân quá lớn, sự cân đối của hai lực không còn giữ vững, vì thế, trong tự nhiên nguyên tố nào mà trong nhân có 83 proton trở lên sẽ ở trạng thái không không thay đổi. Nguyên nhân của sự không không thay đổi hoàn toàn có thể là :
. Có quá nhiều hoặc quá ít nucleon trong nhân. Nhân có hàng trăm nucleon thì lực đẩy lẫn nhau giữa những proton sẽ mạnh và không không thay đổi. Trái lại nếu nhân nhỏ có ít nucleon thì lực link giữa những nucleon sẽ yếu và sẽ phân rã .
. Số lượng neutron trong nhân tăng lên là một nguyên do làm cho mất cân đối và nhân sẽ chuyển về không thay đổi bằng cách phân rã phóng xạ .
Hiện nay người ta đã tìm được trên 300 đồng vị bền, 60 đồng vị phóng xạ sẵn có trong tự nhiên, gần 3000 đồng vị phóng xạ tự tạo .
Người ta đã tìm ra 3 dãy nguyên tố phóng xạ : Thorium ; Uranium ; Actinium ; và tìm ra bằng phương pháp nhân tạo dãy Neptunium .
Thorium 232T h ® 208P b
Actinium 235U ® 207P b
Uranium 238U ® 206P b
Neptunium 241P u ® 209B i

2.2. Các dạng phân rã phóng xạ

Có nhiều cách phân rã phóng xạ, tuỳ thuộc vào trạng thái nguyên thuỷ của nhân không không thay đổi, nghĩa là tuỳ thuộc vào nhân thiếu vắng p hay n .

– Phân rã alpha (a)

Phân rã alpha thường xảy ra ở những nguyên tố nặng, có số khối lớn (Z>83). Trong quá trình hạt nhân biến đổi phát ra 1 hạt chính là hạt nhân nguyên tử He:

AX          4a +  A-4Y

Thí dụ:        238U          4a +  234Th

Để trình diễn ngắn gọn hiện tượng phóng xạ, người ta dùng sơ đồ phân rã phóng xạ. Trên sơ đồ người ta ghi kí hiệu của hạt nhân trước và sau khi xảy ra phân rã phóng xạ, chu kỳ luân hồi bán rã của quy trình và Tỷ Lệ Tỷ Lệ của mỗi dạng phân rã. Trạng thái cơ bản của hạt nhân trước và sau khi phân rã được màn biểu diễn bằng vạch đậm nét nằm ngang. Quá trình phân rã dẫn đến tạo thành hạt nhân mới có điện tích lớn hơn hạt nhân khởi đầu được kí hiệu bằng mũi tên đi xuống và hướng sang phải. Nếu hạt nhân mới có điện tích nhỏ hơn hạt nhân bắt đầu thì quy trình phân rã được ký hiệu bằng mũi tên đi xuống hướng về bên trái. Còn quy trình phân rã mà không làm biến hóa điện tích của hạt nhân được ký hiệu bằng mũi tên hình sóng, đi xuống thẳng đứng .
Chẳng hạn Radium phân rã chuyển thành radon theo sơ đồ chuyển mức nguồn năng lượng như sau :

Hạt alpha có nguồn năng lượng từ 4-9 MeV, có năng lực ion hoá rất lớn, nguồn năng lượng chùm tia giảm rất nhanh, do đó trong những chất hữu cơ, trong mô nó chỉ xuyên sâu được vài Xác Suất mm. Một chùm hạt alpha 5M eV cũng chỉ đi trong không khí được 4 cm, trong mô 0,05 mm .

– Phân rã beta (b)

+ Phân rã b – : khi có dư neutron, nhân không không thay đổi, phải tìm cách giải phóng neutron dư đó mới không thay đổi được. Làm bật neutron ra khỏi nhân là rất khó vì không đủ nguồn năng lượng, thế cho nên thường thì theo luật tương tác những lực yếu, nhân sẽ chuyển neutron thành proton và giải phóng ra một điện tử ( beta âm ) và phản neutrino. Phản neutrino là một phản hạt của neutrino .

n   ®   p + e– + g (phản neutrino)

Nhân mới tạo thành được thêm proton, sẽ di dời sang bên phải 1 ô trong bảng tuần hoàn của Menđêlêep, trở thành nhân khác so với khởi đầu :
AXz AYz
ví dụ : 32P15 32S16
Số Z tăng 1, số A không đổi, hạt phản neutrino không có khối lượng, không có điện tích, không có vai trò gì trong YHHN nên không cần chăm sóc đến .

Phân rã beta âm hoàn toàn có thể kèm theo bức xạ gamma. Trường hợp này xảy ra khi nhân mới tạo thành chưa thật không thay đổi ( cận bền vững và kiên cố ). Ví dụ nổi bật là phân rã của 60C o, một nguồn phóng xạ thường dùng trong y học ( hình 1.3 ) .

Hạt beta được phát ra với một phổ liên tục từ nguồn năng lượng rất nhỏ nào đó tới nguồn năng lượng cực lớn ( trong khoảng chừng 1,1 – 3 MeV ). Năng lượng trung bình của chùm hạt beta là E = Emax / 3. Tốc độ hạt beta rất lớn ( lớn nhất hoàn toàn có thể tới 90 % vận tốc ánh sáng ) nên hạt beta có năng lực xuyên sâu vào vật chất tốt hơn, năng lực ion hoá kém hơn hạt alpha. Tuy nhiên trong mô hạt beta đi được quãng đường ngắn nên không sử dụng vào ghi hình. Chùm beta nguồn năng lượng 1M eV đi trong không khí được 300 cm, trong mô 0,4 cm. Một số chất khi phát beta có phát gamma kèm theo như 131I hoàn toàn có thể dùng để ghi hình, nhưng không phải là những chất lý tưởng vì gây chiếu xạ nhiều cho khung hình bởi phóng xạ beta .

+ Phân rã b+: xảy ra khi nhân có quá nhiều p, tức là thiếu hụt neutron và như vậy phải chuyển 1 proton  thành  neutron, 1 positron (b+) và 1 neutrino.

Sơ đồ phân rã beta dương là sơ đồ chuyển trái. Nhân con được tạo ra sẽ ít hơn nhân mẹ 1 proton, nên sẽ di dời 1 ô về bên trái của bảng tuần hoàn .
p n + e + + g
AXz AYz-1 ; Ví dụ : 13N7 ® 13C6 + b +
Các hạt beta dương cũng có phổ nguồn năng lượng liên tục. Positron không hề sống sót khi ở trạng thái tĩnh, vì thế khi hết động năng nó sẽ tích hợp với 1 điện tử chuyển từ hạt sang sóng điện từ dưới dạng 2 bức xạ gamma 0,511 MeV theo 2 hướng khác nhau .

Năng lượng cần để có phân rã b + tối thiểu là 1,022 MeV. Trong phân rã b +, nguồn năng lượng dư hoàn toàn có thể phát bức xạ gamma kèm theo. Phân rã beta dương thường xảy ra với những hạt nhân có Z thấp, có trong thành phần cấu trúc khung hình người như Carbon, Oxygen, Nitrogen. Các chất này được dùng nhiều trong chẩn đoán bằng ghi hình phóng xạ trên máy PET .
15O phát b + ( 99,9 % ), Emax = 1,72 MeV
13N phát b + ( 100 % ), Emax = 1,19 MeV

11C phát b+ (99%),     Emax = 0,96MeV

– Bắt điện tử quỹ đạo

Nếu nhân không đủ nguồn năng lượng để phân rã positron thì positron dư hoàn toàn có thể được chuyển thành neutron bằng cách bắt điện tử ở quỹ đạo. Trong trường hợp này, một điện tử ở quỹ đạo sẽ bị nhân bắt giữ, proton sẽ chuyển thành neutron và neutrino .
p + + e – n + n
Xz ® Yz-1 + n
Sau khi một điện tử bị bắt vào nhân sẽ có một loạt di dời những điện tử ở những lớp vỏ bên ngoài và tạo nên nhiều bức xạ X đặc tính, điện tử Auger. Mặt khác từ nhân hoàn toàn có thể phát ra tia gamma và điện tử nội biến hoán. Nhiều chất phân rã theo kiểu bắt điện tử quỹ đạo được ứng dụng trong YHHN vì những bức xạ đặc tính của nó có năng lực xuyên qua khung hình giúp cho ghi hình được mà nguồn năng lượng không lớn, ít tổn hại so với mô .
Một ví dụ nổi bật là 201T l, được dùng nhiều trong chẩn đoán bệnh tim mạch. 201T l bắt điện tử quỹ đạo chuyển thành 201H g. Trong quy trình phân rã phát tia X đặc tính có nguồn năng lượng từ 68 – 80 keV, tia gamma và điện tử nội biến hoán, nhưng ghi hình tim hầu hết là nhờ những bức xạ X đặc tính .

Bắt điện tử quỹ đạo lớp K hay xảy ra ở những nguyên tố nặng. Nguyên nhân hoàn toàn có thể là ở những nguyên tố đó có điện tích nhân lớn thì đường kính của quỹ đạo điện tử lớp K nhỏ, điện tử lớp K gần nhân và dễ bị hút vào. Năng lượng của bức xạ X đặc tính tăng lên cùng với số nguyên tử lượng của nhân. Ví dụ của 51V do phân rã 51C r chỉ là 5 keV, trong khi đó bức xạ tia X đặc tính của Hg do phân rã 201T l có nguồn năng lượng từ 68-80 keV và được dùng để hiện hình trên gamma camera. Bức xạ tia X đặc tính nguồn năng lượng 27 keV trong phân rã 125I được dùng trong đo đếm in vitro .

– Nội biến hoán

Hình thức phân rã này xảy ra khi nhân phóng xạ truyền nguồn năng lượng cho một điện tử quỹ đạo, làm cho điện tử bật ra mà không có bức xạ gamma, dẫn đến phát tia X đặc tính hoặc điện tử Auger biến hoán. Điện tử nội biến hoán có mức nguồn năng lượng không liên tục. Khác với EC, điện tử không tương tác với nhân, mà chỉ sắp xếp lại, phần nguồn năng lượng dư do sắp xếp lại phát ra dưới dạng tia X .
Tia X đặc tính và tia gamma có đặc thù như nhau, chỉ khác nhau về nguồn gốc. Tia X là mẫu sản phẩm của sự kích thích và ion hoá những điện tử trong nguyên tử. Còn tia gamma là mẫu sản phẩm của nguồn năng lượng dư trong biến hóa hạt nhân. Bức xạ gamma do nhân bị kích thích với những mức nguồn năng lượng gián đoạn đặc trưng cho sự phân rã riêng của từng hạt nhân. Có thể có nhiều tia gamma với mức nguồn năng lượng khác nhau của một nhân. Tia X phát xạ với một phổ đặc trưng cho những trạng thái nguồn năng lượng lớp vỏ K, L, M của những nguyên tố .

– Phân rã phát xạ tia gamma

Một nhân bị kích thích sẽ nhanh gọn trở về trạng thái cơ sở, thời hạn thường là 10-15 đến 10-20 giây. Người ta dùng khái niệm nửa đời ( half life ) để chỉ thời hạn sống sót 50% của trạng thái nhân bị kích thích, thời hạn ấy vào khoảng chừng 10-15 giây. Tuy vậy cũng có một số ít ít trường hợp nửa đời lê dài hàng giây, hàng giờ hoặc hàng ngày. Trạng thái đó được gọi là trạng thái cận không thay đổi. Trong những trường hợp này, nhân bị kích thích dừng lại ở mức 2 rồi mới quay trở lại trạng thái cơ sở. Technetium-99m ( 99 mTc ) hay dùng trong y học là nổi bật của nhóm những chất cận không thay đổi .

Hạt nhân ở trạng thái kích thích có nguồn năng lượng lớn trở về trạng thái cơ bản, có số khối và điện tích không đổi, chỉ có nguồn năng lượng giảm đi. Phần nguồn năng lượng giảm đi đó được phát ra dưới dạng bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, đó là tia gamma. Tốc độ Viral của bức xạ gamma bằng vận tốc ánh sáng. Năng lượng của photon nhờ vào vào tần số hoặc độ dài bước sóng :
E = hn = hC / l ; h là hằng số Plank .
Tia gamma có nguồn năng lượng lớn, có năng lực đâm xuyên mạnh, năng lực ion hoá không cao. Bức xạ gamma không phải do nhân phóng xạ trực tiếp phát ra, mà là một quy trình thứ phát, nghĩa là sinh ra từ nhân mới được tạo thành khi nó còn trong trạng thái kích thích chưa không thay đổi .

3. Quy luật phân rã phóng xạ

3.1. Định luật phân rã

Trong một nguồn phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ giảm dần theo thời hạn. Chúng ta thiết lập quy luật đó .
Giả sử ở thời gian t, số hạt nhân phóng xạ chưa phân rã là N. Sau thời hạn dt, số đó trở thành N – dN vì có dN hạt nhân đã phân rã. Độ giảm số hạt nhân chưa phân rã – dN tỉ lệ với N và dt .
– dN = lNdt
Trong đó thông số tỉ lệ l tuỳ thuộc vào chất phóng xạ và được gọi là hằng số phân rã. Theo định nghĩa, l là Tỷ Lệ phân rã của từng hạt nhân trong một đơn vị chức năng thời hạn. Do đó : dN / N = – ldt .
Thực hiện phép tích phân ta được : N = Noexp ( – lt ) .
Trong đó : N = số nhân phóng xạ ở thời gian t .
N0 = số nhân phóng xạ ở thời gian khởi đầu .
l = hằng số phân rã ; t = thời hạn .
Để phân biệt vận tốc phân rã nhanh, chậm của những chất phóng xạ, người ta đưa ra khái niệm T1 / 2 ( thời hạn bán rã ), là thời hạn mà N0 giảm đi 50% .
N = No / 2 = Noexp ( – lT1 / 2 ) .
T1 / 2 = ln2 / l = 0,693 / l
Như vậy, thời hạn bán rã của nguồn chỉ nhờ vào vào thực chất của hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó. Ví dụ : T1 / 2 của 131I là 8,04 ngày, của 60C o là 5,26 năm, của 99 mTc là 6,04 giờ …
Để biểu lộ một cách định lượng về một chất đồng vị phóng xạ, người ta dùng khái niệm hoạt độ ( activity ), thường ký hiệu bằng chữ A. Hoạt độ A = lN .
Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Curie ( Ci ), millicurie ( mCi ), microcurie ( mCi ) hoặc theo pháp luật của SI ( system international ), đơn vị chức năng đo hoạt độ là Becquerel ( Bq ). Đơn vị Bq rất nhỏ, thế cho nên trong thực tiễn thường dùng kilobecquerel ( kBq ), megabecquerel ( MBq ) .
1C i = 3,7 × 1010 phân rã / giây ; 1 mCi = 3,7 × 107 phân rã / giây .
1 mCi = 3,7 × 104 phân rã / giây ; 1B q = 1 phân rã / giây .
Hoạt độ phóng xạ A không phải là số tia phóng xạ phát ra từ nguồn trong một đơn vị chức năng thời hạn, vì khi một hạt nhân phân rã hoàn toàn có thể phát ra nhiều hơn một tia phóng xạ. Số tia phóng xạ truyền qua một đơn vị chức năng diện tích quy hoạnh đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó trong một đơn vị chức năng thời hạn. Giả sử một nguồn phóng xạ nào đó cứ mỗi đơn vị chức năng thời hạn phát ra n tia phóng xạ. Nguồn phóng xạ là nguồn điểm. Vì những tia phát đều trên mọi hướng nên tỷ lệ tia phóng xạ tại một điểm cách nguồn một khoảng chừng R là :
J = n / S = n / 4 pR2
Mật độ bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tới nguồn .
Cường độ bức xạ tại một điểm nào đó trong khoảng trống là nguồn năng lượng bức xạ truyền qua một đơn vị chức năng diện tích quy hoạnh vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó trong một đơn vị chức năng thời hạn. Ký hiệu cường độ bức xạ là I, ta có :
I = J.E
Trong đó E là nguồn năng lượng của mỗi tia phóng xạ. Tất nhiên, nếu những tia phóng xạ có nguồn năng lượng không giống hệt thì I được tính theo công thức :
I = SEi
Đơn vị cường độ bức xạ là oát trên mét vuông ( W / mét vuông ) .

3.2. Phân rã kế tiếp

Có thể đồng vị mẹ phân rã thành đồng vị con chưa phải là đồng vị không thay đổi. Đến lượt mình, đồng vị con lại phân rã thành đồng vị cháu …
A ® B ® C …
l1 l2
Trong trường hợp hai đồng vị phóng xạ tiếp nối thì số hạt nhân của chất đồng vị con sẽ được tính theo công thức :
N2 = N02 exp ( – l2t ) + [ exp ( – l1t ) – exp ( – l2t ) ] l1N01 / ( l2-l1 )
Trong đó N02 và N2 là số hạt nhân của đồng vị con ở thời gian bắt đầu và thời gian t. N01 là số hạt nhân của đồng vị mẹ ở thời gian đầu. Nếu ở thời gian đầu ( t = 0 ) chỉ có đồng vị mẹ mà không có đồng vị con, nghĩa là N02 = 0 thì số hạt nhân con được hình thành do quy trình phân rã của những hạt nhân mẹ sẽ là :
N2 = [ exp ( – l1t ) – exp ( – l2t ) ] l1N01 / ( l2-l1 )
Nếu đồng vị mẹ có chu kỳ luân hồi bán rã rất lớn so với đồng vị con ( T1 » T2 ) thì sau thời hạn t » T2 ( T2 « t « T1 ) những đồng vị mẹ và con sẽ đạt tới trạng thái cân đối phóng xạ bền. Lúc đó vận tốc phân rã của hạt nhân con cũng đúng bằng vận tốc phân rã của hạt nhân mẹ : N1l1 = N2l2 .

4. Các phương pháp chế tạo hạt nhân phóng xạ

Hầu hết những hạt nhân phóng xạ tự nhiên đã được tìm thấy. Các hạt nhân này thường có đời sống quá dài nên không thích hợp cho sử dụng trong y học hạt nhân. Các hạt nhân phóng xạ sử dụng trong y học phải có thời hạn bán huỷ vật lý đủ ngắn, nguồn năng lượng vừa phải để tránh liều hấp thụ không có lợi cho bệnh nhân. Những hạt nhân này đều được sản xuất bằng phương pháp nhân tạo .

4.1. Hệ thống sinh phóng xạ (generator)

Chất đồng vị phóng xạ nào có đời sống tương đối ngắn sẽ được vận dụng thuận tiện trong chẩn đoán. Nhưng việc chuyên chở chất phóng xạ đời sống ngắn từ nơi sản xuất tới cơ sở y học hạt nhân sẽ rất khó khăn vất vả. Vì vậy người ta phải sản xuất ra mạng lưới hệ thống sinh phóng xạ ( bình sinh phóng xạ ), chúng được luân chuyển một cách thuận tiện đến nơi sử dụng, khi nào cần thì tách chiết để lấy chất phóng xạ dùng cho chẩn đoán hoặc điều trị. Hệ thống sinh phóng xạ hay dùng trong y học hạt nhân là 99M o / 99 mTc. 99M o là chất có T1 / 2 = 66 giờ, khi phân rã beta sẽ thành 99 mTc ở nhiều trạng thái khác nhau, trong đó có trạng thái không thay đổi muộn, ký hiệu là 99 mTc. Chất 99 mTc có T1 / 2 = 6 giờ, được dùng nhiều trong y học hạt nhân, vì đời sống không quá dài, cũng không quá ngắn và nguồn năng lượng 140 keV đủ để ghi hình tốt mà không quá mạnh, không gây tổn hại đến những mô trong khung hình như 1 số ít chất đồng vị phóng xạ khác .
Những đặc thù cơ bản của một mạng lưới hệ thống sinh phóng xạ :
. Hạt nhân con được sinh ra với độ tinh khiết hoá phóng xạ và hạt nhân phóng xạ cao .
. Phải bảo đảm an toàn, đơn thuần trong thao tác .
. Vô khuẩn, không có pyrogen .
. Khả năng tách chiết dễ, phong phú .
. Đời sống hạt nhân phóng xạ con phải ngắn hơn 24 giờ .
Thời gian đạt tới tối đa ( Tmax ) của chất con được tính theo công thức :
Tmax = [ 3,312 xT1T2 / ( T1-T2 ) ] log ( T1 / T2 ) = [ 2,303 / ( l2 – l1 ) ] log ( l2 / l1 )
Trong mạng lưới hệ thống sinh phóng xạ Mo / Tc, người ta cho 99M o hấp thụ vào cột alumina ( Al2O3 ), từ đó dùng nước muối sinh lý tách chiết lấy Tc. Chất chiết ra gồm Tc trạng thái không thay đổi muộn, Tc trạng thái kích thích khác và cả Tc ở trạng thái cơ bản không thay đổi. Sau khi đã chiết ra, hàm lượng Tc trong cột alumina giảm đi 80 %, rồi lại tăng dần, đạt tối đa vào lúc 23 giờ sau ( thấp hơn lần thứ nhất ) và cứ như vậy sau mỗi chu kỳ luân hồi 23 giờ lại có được Tc ở mức cao nhất, nhưng giảm dần .

4.2. Chế tạo từ lò phản ứng hạt nhân

Từ lò phản ứng có 2 cách sản xuất hạt nhân phóng xạ :

– Tinh chế từ sản phẩm do phân hạch hạt nhân

Trong lò phản ứng hạt nhân có chứa những thanh nguyên vật liệu phân hạch, thường là 238U và 235U. Trong quy trình phân hạch sẽ tạo ra nhiều hạt nhân phóng xạ khác nhau. Những loại sản phẩm do phân hạch còn được gọi là “ tro ” của lò phản ứng. Có thể tinh chế từ tro phóng xạ để thu được một số ít hạt nhân phóng xạ cần dùng trong YHHN như 90S r, 99M o, 131I … Điều chế hạt nhân phóng xạ theo chiêu thức này có hạn chế là hiệu suất thấp và không cung ứng đủ loại nhân phóng xạ theo nhu yếu .

– Điều chế bằng phương pháp bắn phá hạt nhân bia

Lò phản ứng khi nào cũng có một số lượng lớn neutron. Neutron sinh ra có nguồn năng lượng rất lớn, vận tốc rất nhanh. Phải dùng những thanh điều khiển và tinh chỉnh làm chậm vận tốc của neutron thành neutron nhiệt. Những neutron nhiệt này được ứng dụng vào mục tiêu bắn phá những hạt nhân bền ( bia ) tạo ra những hạt nhân phóng xạ mới, thế cho nên những nhân phóng xạ được tạo ra theo cách này thường có dư neutron ( phân rã beta âm ). Đại đa số những nhân phóng xạ thường dùng trong YHHN được chế từ lò phản ứng. Một số hạt nhân phóng xạ thông dụng dùng trong YHHN như sau :

4.3. Chế tạo từ máy gia tốc vòng

Các máy gia tốc hạt tích điện được chia thành hai nhóm dựa trên chiêu thức tần suất, đó là tần suất thẳng và tần suất vòng. Gia tốc hạt trong cả 2 nhóm được thực thi do lực hút tĩnh điện giữa những hạt tích điện và ống tích điện trái dấu được ngăn cách nhau bằng bộ phận cách điện .
Máy gia tốc vòng có cấu tạo hình xoắn ốc. Các đoạn ống vòng chứa những đĩa hình bán nguyệt, tích điện trái dấu. Các hạt tích điện cần tăng cường đi qua mỗi đĩa cực này lại được tăng cường một lần, tác dụng có được những hạt với nguồn năng lượng rất lớn, hoàn toàn có thể bắn những hạt nguồn năng lượng lớn ( proton, deutron hoặc hạt alpha ) vào trong nhân và vì thế sẽ tạo được những nhân có dư proton, những chất phân rã beta dương hoặc bắt điện tử .

Ví dụ : 127I khi được bắn phá bởi một proton 60 MeV, nó sẽ phóng ra 5 neutron chuyển thành 123X e, sau đó qua phân rã beta dương và bắt điện tử chuyển thành 123I, được dùng để ghi hình rất tốt trên máy SPECT. Phương trình diễn biến như sau : 127I ( p, 5 n ) 123X e ® 123 I
Hoặc so với 67G a : 68Z n ( p, 2 n ) 67G a .
Các ĐVPX được ứng dụng trong YHHN ngày càng thoáng rộng, đó là những đồng vị có chu kỳ luân hồi bán rã ( T1 / 2 ) không dài, không độc. Tuỳ theo mục tiêu nghiên cứu và điều tra hoàn toàn có thể dùng những ĐVPX khác nhau, ví dụ điển hình trong xạ hình phổi dùng 99 mTc gắn albumin đông vón, hoàn toàn có thể đọng ở mao mạch phổi. 99 mTc phosphonate dùng trong xạ hình xương ; 201T l, 99 mTc dùng trong nghiên cứu và điều tra tưới máu cơ tim ; 67G a citrate nghiên cứu và điều tra khối u, quy trình nhiễm trùng ; 32P, 153S m và 89S r điều trị giảm đau di căn ung thư xương …

Câu hỏi ôn tập:

1. Cấu trúc hạt nhân, nguồn năng lượng link hạt nhân. Hạt nhân bền và hạt nhân không bền ?
2. Các dạng phân rã phóng xạ, vẽ sơ đồ phân rã của I-131 ?
3. Các chiêu thức sản xuất đồng vị phóng xạ ? Nêu một số ít đồng vị phóng xạ thường dùng trong chẩn đoán và điều trị YHHN ?

Source: https://thcsbevandan.edu.vn
Category : Phương pháp học tập