Bài giảng trong khoá học Sinh học Phóng Xạ tại Rouen (Pháp) 2014 dành cho đối tượng bác sĩ nội trú ung thư (Xạ trị).

1. Kiến thức vật lý cơ bản về các
bức xạ ion hoá
D. GENSANNE
Kỹ sư vật lý
Trung tâm Henri Becquerel
Dịch: BSNT. Trần Trung Bách

2. Tia bức xạ là gì?
Hình thức lan truyền năng lượng dưới dạng:
• Dòng photon: Loại bức xạ điện từ
• Dòng các hạt vật chất : Loại bức xạ hạt
m
v
q

3. Bức xạ photon
• Tốc độ di chuyển tương đương vận tốc ánh sáng
• Đặc trưng bởi tần số = mức năng lượng “được vận chuyển”
E = h.n
h = hằng số Planck = 6.62.10-­34 J.s-­1
Phân bố loại tia bức xạ
theo mức năng lượng

4. Các bức xạ hạt
Hạt mang điện tích Hạt nhẹ : Electron
Hạt nặng : Protons hay các ion dương
M (Trọng lượng) = 9,109×10-­31 kg
Q (Điện tích) = -­1.6.10-­19 C
M > 1,672×10-­27 kg
q > 1.6.10-­19 C
Hạt trung tính Hạt nặng : Neutrons hay các nguyên tử
M > 1,672×10-­27 kg
q = 0
+

5. Phân loại tia bức xạ
2 loại chính tuỳ theo hiệu ứng của tia bức xạ lên môi
trường vật chất mà chùm tia xuyên qua:
• Bức xạ ion hoá:
Có mức năng lượng đủ để làm 1 electron bật ra khỏi
lớp vỏ nguyên tử (cấu tạo nên môi trường vật chất)
(E>12,4eV).
• Bức xạ không ion hoá:
Mức năng lượng không đủ để cho 1 electron bật ra
khỏi lớp vỏ nguyên tử.

6. Phân loại tia bức xạ
Không ion hoá Ion hoá
Sóng điện từ
l> 100nm
Sóng điện từ
l< 100nm
Bức xạ hạt
Không mang điệnMang điện
Hạt nhẹ Hạt nặng
Sóng radio, cực
tím, ánh sáng nhìn
thấy được, hồng
ngoại, vi sóng
Photons X et g Neutrons,
Nguyên tử
Électrons Protons,
ion

7. Cách tạo ra các bức xạ ion hoá
Photons X et g Neutrons,
Nguyên tử
Electrons Protons, Ion
Các nguyên tố phóng xạ
Máy gia tốc thẳng
Ống RX
Máy gia tốc cho các hạt

8. Nguyên tắc cơ bản về:
Tương tác giữa bức xạ photon
với môi trường vật chất

9. Sự hao hụt năng lượng của chùm
photon trong môi trường vật chất
Môi trường
vật chất
Chùm photon đến Chùm photon đi
Tuỳ thuộc :
• Môi trường vật chất : Bề dày, cấu tạo, trạng thái
• Chùm photon đến: số lượng, năng lượng.

10. Sự hao hụt năng lượng của chùm
photon trong môi trường vật chất
Theo dạng hàm số mũ đặc trưng bởi hệ số suy giảm
tuyến tính (µ) :
Mức độ sâu trong MTVC (x)
Mức năng lượng (%)
exp(-­µx)

11. Các hình thức tương tác giữa photon
và MTVC
• Không tương tác
• Lệch quỹ đạo nhưng không mất năng lượng: chùm
photon bị lan toả
hn
hn
hn
Tán xạ Rayleigh

12. Các hình thức tương tác giữa
photon và MTVC
• Lệch quỹ đạo, chuyển một phần năng lượng cho MTVC
• Chùm photon bị chặn đứng, chuyển toàn bộ năng lượng cho
MTVC
hn
hn hn’< hn
Tán xạ Compton
•Hiệu ứng quang điện
•Hiệu ứng vật chất hoá

13. • Lệch quỹ đạo của chùm photon đến
• Không mất năng lượng
Tán xạ Rayleigh
Photon năng lượng thấp phục hồi năng lượng sau va
chạm với electron liên kết chặt với hạt nhân nguyên
tử (Của MTVC)

14. Tán xạ Compton
• Hiện tượng được phát hiện năm 1923 bởi
Compton (Giải thưởng Nobel 1927)
• Chuyển một phần năng lượng của photon đến cho
electron va chạm.

15. Tán xạ Compton
• Sau va chạm với 1 electron của nguyên tử
(MTVC), một phần năng lượng của photon được
chuyển cho electron dưới dạng động năng.
• Electron bật ra khỏi vỏ nguyên tử được gọi tên:
electron Compton
Photon (hn)
Photon (hn’)
Électron
Électron Compton (Ec)
hn = hn’ + Ecf
q

16. Tán xạ Compton
• Electron Compton luôn bật ra về phía trước:
0 < f < 90°
• Góc q của tia photon tán xạ dao động từ 0 đến 180°.
• Góc f càng nhỏ, năng lượng chuyển cho electron
Compton càng lớn và góc q càng lớn.
Photon (hn)
Photon (hn’)
Électron
Électron Compton (Ec)
hn = hn’ + Ecf
q

17. Tán xạ Compton
Năng lượng được chuyển sang electron tỷ lệ thuận với:
• Mức năng lượng (hn) của chùm photon đến.
• Mật độ electron của môi trường vật chất (Số lượng
electron trên 1 đơn vị khối lượng).
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Energie du photon (keV)
Fraction d'énergie transférée

18. Hiệu ứng quang điện
• Hấp thụ toàn bộ năng lượng của photon đến
• Electron của MTVC sau khi nhận năng lượng bật ra
khỏi vỏ nguyên tử: electron quang điện.
• Quá trình tái sắp xếp lại lớp vỏ electron sẽ phát ra 1
photon sau đó.

19. Hiệu ứng quang điện
• Lý thuyết lượng tử (Einstein) :
Ánh sáng bao gồm các hạt mang năng lượng khi va
chạm với MTVC sẽ chuyển toàn bộ năng lượng của
chúng cho các electron của MTVC.
• Động năng của electron quang điện:
Ec = hn – El
El = Năng lượng liên kết của electron

20. Hiệu ứng vật chất hoá
(Hiệu ứng ghép cặp)
Khi tiến gần điện trường của hạt nhân nguyên tử, tia
photon đến chuyển biến thành 2 hạt mang điện tích
trái dấu cùng với động năng.
Photon (hn) Électron (-­q)
Positon (+q)

21. Hiệu ứng vật chất hoá
• Mức năng lượng tối thiểu cần thiết: 1,022MeV.
• Khả năng xuất hiện hiệu ứng này tăng theo:
– Mức năng lượng (hn) của photon đến
– Số nguyên tử (Z) của môi trường vật chất

22. Khả năng xuất hiện
của các loại hiệu ứng
Tuỳ thuộc đặc tính của MTVC và mức năng lượng
của chùm photon đến

23. Nguyên tắc cơ bản về:
Tương tác giữa bức xạ hạt với
môi trường vật chất

24. Các bức xạ hạt
Phân biệt với các bức xạ photon dựa trên các đặc
tính của hạt:
• Khối lượng (m)
• Điện tích (q)
• Vận tốc của hạt (v)
m
v
q
m
v
q

25. Phân loại tia bức xạ
Không ion hoá Ion hoá
Sóng điện từ
l> 100nm
Sóng điện từ
l< 100nm
Bức xạ hạt
Không mang điệnMang điện
Hạt nhẹ Hạt nặng
Sóng radio, cực
tím, ánh sáng nhìn
thấy được, hồng
ngoại, vi sóng
Photons X et g Neutrons,
Nguyên tử
Électrons Protons,
ion

26. Các hạt mang điện NHẸ
Chùm electron đến có thể gặp phải 2
hiện tượng phân biệt:
• Tương tác với các electron của lớp
vỏ nguyên tử của MTVC: Hiện tượng
Va chạm
• Tương tác với hạt nhân nguyên tử
của MTVC: Hiện tượng Phóng xạ

27. Các hạt mang điện NHẸ
Khả năng xảy ra một trong hai hiện tượng tương
tác tuỳ theo:
-­ Mức năng lượng (E) của chùm electron đến.
-­ Số nguyên tử (Z) của MTVC.

28. Các hạt mang điện NHẸ:
Hiện tượng va chạm
• Hiện tượng va chạm dẫn đến thay đổi
mức năng lượng của electron của lớp vỏ
nguyên tử
® Nguyên tử ở trạng thái hoạt
hoá và/hoặc ion hoá.
• Trở lại trạng thái ổn định nhờ sắp xếp
lại vỏ electron và phát ra bức xạ photon.
• Chùm electron đến mất đi một phần
năng lượng sau va chạm.

29. Các hạt mang điện NHẸ:
Hiện tượng va chạm
• Photon X được phát xạ khi electron chuyển dịch
từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp.
• Mức năng lượng của Photon X tương ứng với
mức chênh lệch giữa 2 mức năng lượng của
electron.
Sự phát xạ photon X
E = E initial -­ Ek
Ek
Einitial
RX

30. Các hạt mang điện NHẸ:
Hiện tượng phóng xạ
• Lệch quỹ đạo của chùm
electron đến do tác động của
hạt nhân nguyên tử MTVC (tích
điện dương)
• Giảm vận tốc của chùm
electron, do đó, giảm động
năng: Hiện tượng “Phanh
hãm”
• Phát ra bức xạ X được gọi tên:
Bức xạ hãm

31. Phân bố góc của các tia phát xạ
• Chùm electron năng lượng thấp:
Các tia phát xạ chủ yếu ở bên
phải so với chùm electron đến
• Mức năng lượng của chùm
electron đến càng cao, góc phát
xạ càng giảm.

32. Các hạt mang điện NẶNG:
•Giảm vận tốc do tương tác với lớp vỏ electron của
các nguyên tử MTVC.
•Xảy ra nhiều sang chấn với các electron® dẫn đến
hiện tượng “kích thích” hay ion hoá nhưng rất ít
năng lượng được chuyển giao.
•Quỹ đạo của chùm hạt đến chủ yếu theo đường
thẳng.
• Ionisation

33. Các hạt mang điện NẶNG:
•Mật độ electron trong MTVC càng cao, số lượng va
chạm càng nhiều thì sự hao hụt năng lượng của hạt
nặng càng lớn.
•Chùm hạt nặng càng chậm lại, hiện tượng tương tác
với các electron càng nhiều.
•Ở cuối quỹ đạo, khi sự chuyển giao năng lượng đạt
tối đa, hạt nặng bị dừng lại.

34. Các hạt mang điện NẶNG:
Sự hao hụt năng lượng của chùm tia trong MTVC được
định lượng bằng Sự truyền năng lượng tuyến tính (TLE)
= mức năng lượng mất đi sau mỗi đơn vị chiều dài của quỹ
đạo chùm tia.

35. Các hạt không mang điện
(neutrons)
• Do không mang điện tích, tương tác của loại bức
xạ hạt này với electron ở mức yếu.
• Tương tác chủ yếu xảy ra với hạt nhân nguyên tử
của MTVC theo 2 hiện tượng:
-­ Sự tán xạ: Thay đổi quỹ đạo và mức năng
lượng của chùm tia đến.
-­ Sự hấp thụ : Hạt nhân nguyên tử của MTVC
hấp thụ các hạt neutron của chùm tia đến.

36. Các hạt không mang điện:
Tán xạ đàn hồi
• Chuyển giao năng lượng giữa neutron và hạt nhân
nguyên tử khi va chạm
• Năng lượng mất đi của neutron chuyển hoá thành động
năng của hạt nhân nguyên tử.
• Hiện tượng này càng rõ ràng khi khối lượng hạt nhân
nguyên tử gần với khối lượng hạt neutron. Do đó, hạt
nhân của nguyên tử Hydro có khả năng tương tác với
neutron tốt nhất.

37. Các hạt không mang điện:
Tán xạ không đàn hồi
• Một phần năng lượng của neutron đến gây kích
thích hạt nhân nguyên tử (MTVC)
• Bức xạ neutron đến được phát xạ trở lại với mức
động năng giảm đi.
• Hạt nhân nguyên tử (MTVC) từ trạng thái kích thích
chuyển về trạng thái ổn định đồng thời phát ra bức xạ
gamma.
gv
v’ v’ < v

38. Các hạt không mang điện:
Hiện tượng hấp thụ
• Xảy ra sau khi hạt neutron bị làm giảm vận tốc do
hiện tượng tán xạ, đàn hồi hay không đàn hồi.
• Neutron được hấp thụ bởi hạt nhân làm hạt nhân
trở nên không ổn định, thoát kích thích theo các quá
trình phân rã hạt nhân khác nhau.

39. • Các bức xạ photon và neutron dẫn đến thay đổi
lớp vỏ electron hoặc hạt nhân nguyên tử và tạo ra
các ion.
Bức xạ ion hoá gián tiếp
• Trái ngược với các bức xạ hạt mang điện tích
Các bức xạ ion hoá: Tổng kết
Bức xạ ion hoá trực tiếp

40. Các bức xạ ion hoá: Tổng kết
Tương tác với môi trường vật chất
• Chuyển giao năng lượng trong MTVC qua các Hiện tượng ion
hoá
• Tác động của các bức xạ ion hoá lên tổ chức mô được thể hiện
bởi đại lượng Liều.
Liều (Gray) = Mức năng lượng (Joule) / khối lượng mô (Kg)

41. Tiến trình diễn ra hiện tượng
ion hoá
• Chiếu xạ tổ chức mô.
• Tạo ra các gốc tự do do biến đổi các phân tử
nước trong cấu trúc mô do bức xạ
H2O → OH° + H°
• Phân tán các gốc tự do trong tổ chức.
• Gây tổn thương cấp độ ADN (t = giây.)
Thời gian
(Giây)
10-­12
10-­6
60
0