Khái niệm cơ bản về bức xạ và nguồn phóng xạ

Giới thiệu chung

Hiện nay, các nghiên cứu về kỹ thuật y sinh học ngày một phát triển mạnh và trong tương lai đây sẽ là một ngành mà nhiều nước đã, đang và sẽ tiếp tục nâng cao vị thế của nó. Một trong các mảng có liên quan tới kỹ thuật y sinh đó là các ứng dụng y học có sử dụng nguồn phóng xạ. Các nguồn phóng xạ trong tự nhiên và bản thân các nguồn phóng xạ nhân tạo cũng đã đóng góp một phần không nhỏ vào sự phát triển của thế giới hiện nay. Tuy nhiên, bên cạnh các yếu tố tích cực, các nguồn phóng xạ này cũng gây ra các hiệu ứng khác nhau tác động trực tiếp hay gián tiếp tới cơ thể con người cũng như môi trường xung quanh. Để làm giảm các mức độ ảnh hưởng này, đặc biệt đối với các kỹ thuật viên, các bác sĩ hay các công nhân đang làm việc trong môi trường có bức xạ đều phải tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu về an toàn bức xạ khi hoạt động trong môi trường có các nguồn bức xạ.

Để đảm bảo các yếu tố này, các kỹ thuật viên hay bất kể một ai, khi tham gia làm việc trong môi trường bức xạ cần phải nắm được ít nhất các kiến thức sau:

• Luật cơ bản về việc phòng tránh các nguy hại do bức xạ gây ra hay gọi chung là luật làm việc trong môi trường bức xạ.
• Các thông số của vật liệu bức xạ mà họ sử dụng
• Các ảnh hưởng về mặt sinh lý học dưới tác động của bức xạ
• Các kỹ thuật phòng chống rò rỉ.
• Phương pháp sử dụng và xử lý chất thải phóng xạ
• Các giải quyết đối với các tình huống bất thường và khẩn cấp trong quá trình lao động và làm việc.

Trong phần tài liệu này, tôi sẽ tập trung mang đến cho các bạn một cái nhìn tổng quan nhất về các kiến thức được đề cập ở trên. Đây cũng được coi là một tài liệu tham khảo cho các sinh viên, các kỹ thuật viên có liên quan tới ngành Kỹ thuật y sinh.

Kiến thức khoa học cơ bản

Cấu trúc nguyên tử

Cấu trúc nguyên tử tương tự như cấu trúc của hệ mặt trời.

Tất cả mọi đối tượng đều được cấu tạo từ nguyên tử. Tại tâm của mỗi nguyên tử là hạt nhân tích điện dương và bao quanh nó là các electron tích điện âm và chuyển động tại các quỹ đạo cố định khác nhau. Các electron đó được gọi là các electron quỹ đạo. Cấu trúc này có thể so sánh với hệ mặt trời, nơi các hành tinh chuyển động theo các quỹ đạo tròn xung quanh mặt trời.

Thông thường, hạt nhân nguyên tử được tích điện dương có giá trị bằng giá trị điện tích âm của các các electron quỹ đạo và nguyên tử được trung hòa về điện tích. Khi năng lượng bên ngoài tác động vào nguyên tử thì một electron quỹ đạo có thể bị đẩy khỏi quỹ đạo của nó và trở thành các electron tự do. Khi đó hạt nhân nguyên tử sẽ duy trì mức điện tích dương. Hiện tượng đó gọi là quá trình ion hóa.

Thỉnh thoảng, tác động của năng lượng ngoài có thể làm cho các electron chuyển động ra quỹ đạo xa hạt nhân hơn, nhảy khỏi quỹ đạo gần hạt nhân. Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử ở trạng thái kích thích.

Kích thước của hạt nhân nguyên tử nằm trong khoảng tử 10^-15 tới 10^-14m với các quỹ đạo của điện tử mở rộng dần ra xung quanh. Kích thước của toàn bộ nguyên tử nằm vào khoảng 10^-10m. Nếu hạt nhân nguyên tử có kích thước như một quả bóng tennis thì quỹ đạo điện tử của nó có thể cách xa tâm khoảng cách tới 5km.

Cấu trúc hạt nhân nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử gồm có các protons tích điện dương và các hạt neutron không mang điện. Điện tích dương của các proton bằng nhưng ngược dấu với điện tích của các electron. Khối lượng của proton lớn hơn khoảng 1840 lần so với kích thước của electron. Khối lượng của neutron cũng xấp xỉ khối lượng của proton. Do đó khối lượng của nguyên tử có thể được coi như gần bằng khối lượng hạt nhân của nó do khối lượng của các electron là quá nhỏ.

Các phân tử có một hạt nhân được gọi là các nucleon. Các nucleon được liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mà nó khắc phục một cách tự nhiên xu hướng đẩy nhau của các proton tích điện dương.

Số lượng các proton trong hạt nhân thường bằng số lượng các electron quỹ đạo bao xung quanh hạt nhân. Bản chất hóa học của nguyên tử được xác định bởi số lượng proton trong nguyên tử. Số lượng này được gọi là số nguyên tử và nó xác định thành phần hóa học của nguyên tố đó.

Số nguyên tử= số proton có trong hạt nhân nguyên tử = số electron quỹ đạo trong nguyên tố đó.

Chất đồng vị

Chúng ta có một dạng các hạt nhân nguyên tử được xác định bởi số lượng các proton và neutron của nó. Khi hai nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số neutron, chúng sẽ có khối lượng khác nhau nhưng có cùng bản chất hóa học. Người ta nói chúng là cùng một thành phần hóa học. Các nguyên tử này giống như kiểu anh em và chúng được gọi là các đồng vị.

Để phân biệt giữa các chất đồng vị, tổng số các hạt proton và neutron được gọi là số khối được chỉ ra ở phía trên bên trái kí hiệu các nguyên tố. Khối lượng nguyên tử được biểu diễn qua số khối như sau

Số khối= số các hạt proton + số các hạt neutron.

Hydro (H, số nguyên tử là 1) là nguyên tử có 1 proton và nó tồn tại 3 đồng vị. Đó là ¹H, ²H và ³H. ²H được gọi là deterium (D) và cũng được biết đến với cái tên Hydro nặng và ³H là tritium.

Trong thành phần nguyên tố có số nguyên tử nhỏ, các nguyên tố nhẹ, thì số neutron thường nhỏ hơn hoặc bằng số proton nhưng trong các nguyên tố có số nguyên tử lớn, nguyên tố nặng, thì số neutron thường lớn hơn sơ lượng proton. Ví dụ, hạt nhân của ¹⁶O có chứa 8 proton và 8 neutron nhưng trong hạt nhân ²²⁶Ra (số nguyên tử 88) lại có 88 proton và 138 neutron.

Đồng vị phóng xạ và phóng xạ

Các chất đồng vị tạo ra bức xạ một cách tự nhiên và các hạt nhân có chu kỳ phân rã được gọi chung là các đồng vị phóng xạ. Thay cho việc gọi là các đồng vị phóng xạ, thuật ngữ hạt nhân phóng xạ thường được sử dụng hơn trong ngôn ngữ làm việc liên quan tới phóng xạ.

Trong số các đồng vị, có một vài loại mà hạt nhân phóng ra các bức xạ và sau đó nó chuyển thành một dạng hạt nhân khác một cách tự nhiên mà không cần có các điều kiện tác động bên ngoài như áp suất, nhiệt độ, xử lý hóa học.... Do đó chúng được gọi là các đồng vị phóng xạ. Thuộc tính của chúng được gọi là phóng xạ và quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là quá trình phân rã. Phóng xạ bức xạ ra có thể ở dạng tia hay ở dạng năng lượng khác. Các hạt nhân trước khi phân rã được gọi là cha mẹ và sau khi phân rã được gọi là con.

Có khoảng 70 loại đồng vị phóng xạ tồn tại trong tự nhiên. Chúng bao gồm Uranium, Thorium, radium và potassium (⁴⁰K). Thêm vào đó có hơn 2000 loại đồng vị phóng xạ nhân tạo được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân.

Thuật ngữ độ phóng xạ được sử dụng để chỉ ra biên độ phóng xạ, đơn vị của nó được đo bằng becquerel (Bq), số phân rã trong một giây.

1Bq= 1 phân rã trong 1 giây

Đơn vị cũ của độ phóng xạ là Curie (Ci) có liên hệ với Bq theo công thức sau:

1Ci= 3.7 x 10¹⁰Bq

1Bq= 0.2702... x 10^-10 Ci ≈ 27Ci

Nửa chu kỳ phân rã của đồng vị phóng xạ

Một đồng vị phóng xạ có riêng một nửa chu kỳ phân rã

Chúng ta xét đến một nhóm các nguyên tử của các đồng vị phóng xạ. Do quá trình phân rã của các nguyên tử là riêng biệt (ví dụ như quá trình phân rã hạt nhân nguyên tử của chúng) thì chúng được chuyển đổi sang dạng nguyên tử khác. Thời gian đòi hỏi số lượng các nguyên tử của đồng vị phóng xạ giảm còn một nửa so với giá trị gốc của nó và chuyển sang dạng nguyên tử khác được gọi là nửa chu kỳ phân rã. Độ phóng xạ của một lượng nhất định của một đồng vị phóng xạ tỷ lệ thuận với số nguyên tử dốc được duy trì.

Các nguyên tắc (luật) về an toàn bức xạ

Liên kết đến đây

• Thành viên:Baocong
• Khái niệm cơ bản và bức xạ và nguồn phóng xạ