CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC 1. Phóng xạ trong lương thực, thực phẩm Đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên trong môi trường, bao gồm các cơ quan của cơ thể, lương thực thực phẩm và nước uống của con người. Chúng ta tiếp xúc với nguồn bức xạ này hàng ngày. Bức xạ đến từ không gian (các tia vũ trụ) cũng như các nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất, nước, và không khí.
Hoạt độ riêng của các chất phóng xạ tự nhiên trong lương thực thực phẩm và nước thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thổ nhưỡng, phân bón đối với cây trồng (địa chất), thức ăn đối với các loài nuôi thả; điều kiện khí hậu và tình hình sản xuất nông nghiệp của khu vực. Ngoài ra, con người cũng có thể tiếp xúc với bức xạ từ những hoạt động tạo ra chất phóng xạ của chính mình như: Tập trung nhân phóng xạ tự nhiên, vận hành các thiết bị, các vụ vận hành hạt nhân dân sự và quân sự. Chất phóng xạ có thể gây ô nhiễm lương thực thực phẩm sau khi được thải ra môi trường. Cho dù có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo thì chất phóng xạ cũng đi qua chuỗi thức ăn theo cách giống như vật chất không phóng xạ.
Mức độ nguy hại tới sức khỏe con người phụ thuộc vào loại nhân phóng xạ và khoảng thời gian con người tiếp xúc với nó. Lượng bức xạ con người tiếp xúc thay đổi từ nơi này đến nơi khác và giữa các cá nhân. Các mức phông phóng xạ trong thức ăn khác nhau và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại thức ăn và vùng địa lý sản xuất ra loại thức ăn đó. Các nhân phóng xạ thường có trong thức ăn là: K40, Ra226, U238 và các đồng vị con cháu liên quan.
Nhìn chung, K40 thường là đồng vị phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ khác tồn tại ở nồng độ rất thấp, có nguồn gốc từ chuỗi phân rã của uran và thori. Khi xảy ra sự cố hạt nhân, một lượng lớn chất phóng xạ được phát thải vào môi trường, các loại rau và lương thực bị nhiễm xạ chủ yếu do tiếp xúc trực tiếp với không khí nhiễm phóng xạ hoặc hấp thụ các nhân phóng xạ từ đất thông qua hệ thống rễ. Trong đó chỉ một lượng nhỏ nhân phóng xạ được vận chuyển lên cây bởi 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sự hấp thu của rễ.
Các sản phẩm có nguồn gốc từ động vật như sữa, thịt, trứng và mật ong sẽ chứa các nhân phóng xạ khi những động vật hấp thu phóng xạ từ hệ sinh thái của chúng thông qua việc ăn thức ăn bị nhiễm xạ, uống nước nhiễm xạ và có thể hít phải không khí chứa chất phóng xạ.2 mô tả khái quát các con đường mà chất phóng xạ đi vào cơ thể con người qua lương thực thực phẩm.2: Sơ đồ chất phóng xạ đi vào cơ thể con người thông qua lương thực thực phẩm Mặc dù có nhiều loại nhân phóng xạ khác nhau có thể được giải phóng sau khi xảy ra sự cố hạt nhân, nhưng một vài nhân phóng xạ có thời gian sống rất ngắn và một số nhân phóng xạ khác không vận chuyển vào thức ăn ngay lập tức. Các nhân phóng xạ được tạo ra trong các cơ sở hạt nhân có thể ảnh hưởng đáng kể đối với chuỗi thức ăn, nhưng 137Cs được quan tâm nhiều nhất trong khi xác định phông phóng xạ trong thực vật bằng phương pháp phổ gamma do đồng vị này có thời gian sống khoảng 30 năm. Ngoài ra các đồng vị: triti (3H), carbon (14C), technetium 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (99Tc), sulphur (35S), cobalt (60Co) strontium (89Sr and 90Sr), ruthenium (103Ru và 106 Ru), iodine (131I và 129I), uranium (235U) plutonium (238Pu, 239Pu và 240Pu), caesium (134Cs và 137Cs), cerium (103Ce), iridium (192Ir), và americium (241Am) cũng là mối quan tâm hàng đầu đối với khả năng vận chuyển vào thức ăn. Mối quan tâm trước mắt là 131I, nó được phân bố trên diện rộng, được tìm thấy trong nước và trên cây trồng, ngay lập tức được vận chuyển từ thức ăn nhiễm xạ vào sữa.
Tuy nhiên, I131 có thời gian sống tương đối ngắn và sẽ phân rã trong vòng vài tuần. Canxi phóng xạ cũng vận chuyển từ thức ăn gia súc vào sữa tương đối nhanh. Sự hấp thu Canxi vào trong thức ăn cũng là mối quan tâm lâu dài. Một số nhân phóng xạ khác cũng là mối quan tâm lâu dài nếu được giải phóng, đó là strontium và plutonium.
Sr90 có chu kỳ bán rã khoảng 29 năm và plutonium có chu kỳ bán rã nhiều hơn thế (Pu-238: 88 năm, Pu-239: 24100 năm, Pu-240: 6564 năm). Tuy nhiên, cả strontium và plutonium đều có nồng độ rất thấp và tương đối ổn định trong môi trường, nhất là trong lương thực thực phẩm nên không là vấn đề lớn trong lương thực thực phẩm, trừ khi xảy ra các sự cố hạt nhân có phát thải phóng xạ đáng kể [9]. Phân rã gamma Phân rã alpha hoặc beta thường kèm theo dịch chuyển gamma vì sau khi phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ trở thành hạt nhân con thường nằm ở trạng thái kích thích. Khi hạt nhân con chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản có thể phát ra một hoặc nhiều tia gamma, đặc trưng cho sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái nội tại của hạt nhân.
Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hay về trạng thái cơ bản, ngoài dịch chuyển gamma còn có quá trình biến hóa nội. Trong quá trình này hạt nhân truyền năng lượng cho một electron ở lớp vỏ nguyên tử. Nếu năng lượng này lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử thì electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là electron biến hóa nội.
Năng lượng của electron biến hóa nội bằng hiệu số giữa 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com năng lượng của mức kích thích hạt nhân và năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Cường độ quá trình biến hóa nội được xác định bằng tỷ số giữa số electron biến hóa nội Ie so với số photon Iγ phát ra: Ie (1.1) I Trong đó: α là hệ số biến hóa nội Quá trình dịch chuyển gamma được đặc trưng bởi hệ số phân nhánh. Hệ số phân nhánh ký hiệu Iγ là xác suất phát ra bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng Eγ trong mỗi phân rã của hạt nhân mẹ. Thường hệ số phân nhánh của gamma có năng lượng đặc trưng Eγ được tính theo công thức: Sè tia bøc x¹ gamma cã n¨ng lîng E ®îc ph¸t ra I (1.2) 100 ph©n r· cña h¹t nh©n mÑ 1.
Quy luật phân rã phóng xạ Các nhân phóng xạ là những hạt nhân không bền. Những hạt nhân này trở về trạng thái bền bằng cách phân rã alpha, beta, positon, chiếm electron hoặc phân hạch tự phát. Mối liên hệ giữa số nguyên tử ở thời điểm t (N) và số nguyên tử ở thời điểm ban đầu (N0) như sau: = (1.3) Trong đó: λ là hằng số phân rã phóng xạ N là số nguyên tử phóng xạ ở thời điểm t; N0 là số nguyên tử phóng xạ ở thời điểm ban đầu. Hằng số phân rã phóng xạ được định nghĩa là xác suất mà một phần nhất định nhân phóng xạ trong một mẫu sẽ phân rã trên một đơn vị thời gian.
Hằng số này khác nhau đối với các nhân phóng xạ khác nhau và đơn vị của λ tỷ lệ nghịch với đơn vị thời gian giây-1, phút-1, giờ-1, năm-1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hơn nữa, hoạt độ phóng xạ (A) của một mẫu là tốc độ phân rã của mẫu đó. Tốc độ phân rã này thường được đo đạc là số phân rã trong một giây. Hoạt độ là tích của hằng số phân rã phóng xạ với số nguyên tử có mặt trong mẫu: = (1.4) Trong đó: A là hoạt độ của hạt nhân (phân rã/giây); λ là hằng số phân rã (giây-1); N là số nguyên tử của hạt nhân trong mẫu.
Do λ là hằng số nên hoạt độ và số nguyên tử luôn luôn tỷ lệ thuận, đơn vị hoạt độ cũ là Ci (Curie), đơn vị trong hệ SI là Bq (Becquerel), trong đó 1 Bq là một phân rã trong 1 giây. Từ phương trình (1.4), do hoạt độ và số nguyên tử luôn luôn tỷ lệ thuận nên ta có thể hoán đổi cho nhau để mô tả cho nhân phóng xạ bất kỳ: = (1.5) Trong đó: A0 là hoạt độ tại thời điểm ban đầu; A là hoạt độ tại thời điểm t λ là hằng số phân rã ([thời gian]-1) t là thời gian. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Quy luật phân rã phóng xạ Hình 1.3 minh họa quy luật phân rã phóng xạ. Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian mà số nhân phóng xạ ban đầu hoặc hoạt độ của nó giảm đi một nửa.
Mối quan hệ giữa chu kỳ bán rã và hằng số phân rã có thể được phát triển từ phương trình (1. Chu kỳ bán rã có thể được tính bằng cách giải phương trình (1.5) đối với thời gian khi hoạt độ A bằng A0, ta được: ( ) / = (1.6) Nghịch đảo của hằng số phân rã là thời gian sống trung bình τ của hạt nhân, là thời gian trung bình mà một nguyên tử có thể tồn tại trước khi hạt nhân của nó phân rã. Chuỗi phân rã phóng xạ Khi một hạt nhân mẹ (hạt nhân 1) phân rã thành hạt nhân con (hạt nhân 2) thì số hạt nhân con tại thời điểm t là [1]: dN2(t) = 1N1(t)dt - 2N2(t)dt (1.8) mà dN1(t) = - 1N1(t)dt (1.9) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong đó N1(t) và N2(t) là số hạt nhân của các đồng vị 1 và 2 tại thời điểm t, 1 và 2 là các hằng số phân rã của các hạt nhân 1 và 2. Từ hai phương trình này ta được hệ hai phương trình vi phân sau: dN 1 (t) = - 1N1(t) (1.11) dt Giải hệ hai phương trình vi phân trên ta đặt điều kiện ban đầu tại thời điểm t=0 như sau: số hạt nhân 1 là N1(0) = N10 và số hạt nhân 2 là N2(0) = N20.
Khi đó ta được các nghiệm bằng: N1(t) = N10 e t 1 (1.13) Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2, nghĩa là N20 = 0 thì (1.