Nghiên Cứu Ứng Dụng Đồng Vị Phóng Xạ Trong Khoa Học Và Y Học

Luận văn tốt nghiệp hóa học nghiên cứu tốt nghiệp hóa học phóng xạ và một số ứng dụng các đồng vị phóng xạ trong thực tiễn, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện

• Tác giả: Phạm Thị Nhân
• Người hướng dẫn: Trần Thị Thu Thủy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP. HCM
• Chuyên ngành: Khoa Hóa
• Đề tài: Ứng Dụng Của Đồng Vị Phóng Xạ Trong Khoa Học Và Y Học
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 1996 - 2000
• Địa điểm: TP. HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: ĐỊNH NGHĨA PHÓNG XẠ - ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
• 1.1. Đại cương về hiện tượng phóng xạ
• 1.2. Phân loại phóng xạ - đồng vị phóng xạ
• 1.3. Các định luật phóng xạ
• 1.4. Định luật đời chuyển
• 2. CHƯƠNG II: PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN - CÁC LOẠI TIA PHÓNG XẠ
• 2.1. Hiện tượng phóng xạ tự nhiên
• 2.2. Các loại tia phóng xạ
• 2.2.1. Tia α
• 2.2.2. Tia β
• 2.2.3. Tia γ
• 2.3. Tác dụng của tia phóng xạ vào vật chất
• 3. CHƯƠNG II: PHÓNG XẠ NHÂN TẠO - SỰ BIẾN ĐỔI HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
• 3.1. Nguyên tắc biến đổi hạt nhân
• 3.2. Hiện tượng phóng xạ nhân tạo
• 3.3. Các loại phản ứng hạt nhân
• 3.3.1. Bắn phá hạt nhân bằng tia α (He)
• 3.3.1.1. Sự phóng đi proton khi bắn tia α, phản ứng (α, P)
• 3.3.1.2. Sự phát ra nơtron, phản ứng (α, n)
• 3.3.2. Bắn phá hạt nhân bằng hạt nhân Hidro (p, d, t)
• 3.3.2.1. Thâu đoạt hạt nhân Hidro
• 3.3.2.2. Phóng xạ hạt α, phản ứng (p, α) hay (d, α)
• 3.3.2.3. Sự phóng ra proton, phản ứng (d, p) hay (p, p)
• 3.3.2.4. Sự phóng xạ nơtron, phản ứng (p, n) (d, n)
• 3.3.3. Bắn phá hạt nhân bằng nơtron
• 3.3.3.1. Sự thâu đoạt nơtron

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Của Đồng Vị Phóng Xạ Trong Khoa Học

Đồng vị phóng xạ đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực khoa học và y học. Chúng được sử dụng để nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc ứng dụng đồng vị phóng xạ không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu mà còn mang lại những giá trị thiết thực cho cuộc sống. Các nhà khoa học đang ngày càng khai thác tiềm năng của chúng để phát triển các phương pháp mới trong điều trị và chẩn đoán.

1.1. Định Nghĩa Đồng Vị Phóng Xạ Và Tính Chất Của Chúng

Đồng vị phóng xạ là các nguyên tố có số proton giống nhau nhưng số neutron khác nhau, dẫn đến tính phóng xạ. Chúng có thể phát ra tia alpha, beta hoặc gamma, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng trong khoa học và y học.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Ứng Dụng Đồng Vị Phóng Xạ

Từ những năm đầu thế kỷ 20, đồng vị phóng xạ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Các nhà khoa học như Marie Curie đã đóng góp lớn vào việc phát triển công nghệ này, mở ra nhiều cơ hội mới trong y học và nghiên cứu khoa học.

II. Thách Thức Trong Việc Ứng Dụng Đồng Vị Phóng Xạ

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc ứng dụng đồng vị phóng xạ cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề về an toàn phóng xạ, chi phí và quy định pháp lý là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng và môi trường là ưu tiên hàng đầu.

2.1. Vấn Đề An Toàn Phóng Xạ Trong Y Học

An toàn phóng xạ là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong việc sử dụng đồng vị phóng xạ. Cần có các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt để đảm bảo rằng nhân viên y tế và bệnh nhân không bị ảnh hưởng bởi bức xạ.

2.2. Chi Phí Và Quy Định Pháp Lý Liên Quan

Chi phí cho việc sản xuất và sử dụng đồng vị phóng xạ có thể cao, và các quy định pháp lý liên quan đến việc sử dụng chúng cũng rất nghiêm ngặt. Điều này có thể hạn chế khả năng tiếp cận và ứng dụng trong một số lĩnh vực.

III. Phương Pháp Sử Dụng Đồng Vị Phóng Xạ Trong Nghiên Cứu

Có nhiều phương pháp khác nhau để sử dụng đồng vị phóng xạ trong nghiên cứu khoa học. Các phương pháp này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong các thí nghiệm mà còn mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu.

3.1. Phương Pháp Chẩn Đoán Bệnh Bằng Đồng Vị Phóng Xạ

Chẩn đoán bệnh bằng đồng vị phóng xạ là một trong những ứng dụng phổ biến nhất. Các kỹ thuật như PET và SPECT sử dụng đồng vị phóng xạ để phát hiện và theo dõi sự phát triển của bệnh.

3.2. Phương Pháp Điều Trị Ung Thư Bằng Phóng Xạ

Điều trị ung thư bằng phóng xạ là một phương pháp hiệu quả, giúp tiêu diệt tế bào ung thư mà không làm tổn thương quá nhiều đến các tế bào khỏe mạnh. Các đồng vị như Cobalt-60 thường được sử dụng trong điều trị này.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Đồng Vị Phóng Xạ Trong Y Học

Ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong y học đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Chúng không chỉ giúp chẩn đoán chính xác mà còn hỗ trợ điều trị hiệu quả nhiều loại bệnh, đặc biệt là ung thư.

4.1. Chẩn Đoán Bệnh Ung Thư

Các kỹ thuật chẩn đoán như PET scan sử dụng đồng vị phóng xạ để phát hiện sớm các khối u, giúp tăng khả năng điều trị thành công.

4.2. Điều Trị Bệnh Bằng Phóng Xạ

Điều trị bằng phóng xạ giúp tiêu diệt tế bào ung thư hiệu quả. Các liệu pháp như xạ trị đã được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc điều trị nhiều loại ung thư.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Đồng Vị Phóng Xạ Trong Khoa Học

Tương lai của đồng vị phóng xạ trong khoa học và y học rất hứa hẹn. Với sự phát triển của công nghệ, khả năng ứng dụng của chúng sẽ ngày càng mở rộng, mang lại nhiều lợi ích cho con người.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Mới Về Đồng Vị Phóng Xạ

Nghiên cứu về đồng vị phóng xạ đang ngày càng được chú trọng, với nhiều dự án nghiên cứu mới nhằm phát triển các ứng dụng hiệu quả hơn trong y học và công nghệ.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Các Lĩnh Vực Khác

Ngoài y học, đồng vị phóng xạ còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như nông nghiệp, công nghiệp và bảo vệ môi trường, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I ĐỊNH NGHĨA PHONG XA - ĐỒNG VI PHONG XA 1. Dai cương về hiện tượng phóng xa : Năm 1896 nhà bác học Henry Becqueret trong khi nghiên cứu hợp chất của muối Urani đã khám phá ra rằng. Hợp chất này luôn phóng ra một loại “tia đặc biệt “ có khả năng làm den kính ảnh. Năm 1899 bà Maric Skloclowska tiếp tục nghiên cứu công trình của Henry Becqueret và tìm thấy Thori và hợp chất của nó cũng có tính chất tương tự Urani.

Đặc tinh các chất tự phát ra các tia trên gọi là quá trình phóng xa. Khi nghiên cứu những tia phát ra từ Urani đặt trong từ trường người ta nhận thấy chùm tia phát ra được tách làm 3 loại tia khác nhau - tỉa đi thẳng không bị lệch bởi điện trường hay từ trường được ký hiệu là tia y - tia bị lệch về phía bản cực dương gọi là tia B (bêta) - tia bị lệch về phía bản cực âm gọi là tia œ (anpha) hm notB chum naty = ` chum hat Sw Se chum hata Cho đến nay người ta nhận thấy hiện tượng phóng xạ là một hiện tượng xảy ra rất phổ biến đối với hạt nhân nguyên tử. Quá trình phóng xạ là quá trình phân hủy hạt nhân nguyên tử một cách tự phát, trong quá trình phân rã dé hat nhân đồng vị này phát ra những hạt hoặc tia phóng xạ và biến đổi tạo nên hạt nhân đồng vị khác. Phân loại phóng xạ - đồng vị phóng xa.

Hiện nay người ta chia các đồng vị phóng xạ làm2 loại : e Phóng xạ tự nhiên : các đồng vị phóng xa có san trong tự nhiên , các nhà khoa học đã tìm thấy được Vd: Uran , Thori Sau đây là bảng một số đồng vị phóng xạ tự nhiên đã tìm được Rubidr | 85, 84 87 l Indi = 1114.113 50 | Thiếc (Tin) Sn 118,70 | 124 57 | Lantan La 138,92 138 60 Neodymium | Nd 144,27 150 62 | Saman Sm 150,43 152 71 | Lutexi Lu 174,99 176 75 | Reni Re 186,31 187 81 | Tali Tl 204,39 207, 208, 210 82 | Lead (chi) Pb 207,21 210, 211, 212, 214 83 | Bitmut Bi 209 210, 211, 212, 214, 215, 216, 218 84 | Poloni Po 210 210, 211, 212, 214, 215, 216, 218 85 | Atatin Al 215 215, 216, 218 Radon Rn 222 219, 220, 222 Franxi Fr 223 223 Radi Ra 226,05 | 223, 224, 226, 228 Actini Ac 228 227, 228 Thori Th 232,05 | 232, 227, 228, 230, 231, 232, 234 Protac Pa 231 231, 234 Uran U 238 238, 235, 234 * | Phóng xạ nhân tạo : các đồng vị phóng xạ được tổng hợp thông qua các phản ứng hat nhân , có đặc tính phóng xạ tương tự như các đồng vị phóng xạ tự nhiên. 239 1 239 yy 29 s U +ạn> ‘4, U > ẠNp + 8 239 ~~ Np > Pu + B vd :một số đồng vị phóng xa được tạo thành do phan ứng hat nhân Người ta đã tổng hợp được rất nhiều các đồng vị phóng xạ nhân tạo Vd : Coban (60): “Co Stronti (90): ®?+s Sr lod. Cac định luật phóng xa. Chu kỳ bán hũy : Người ta chứng minh được rằng : tất cả các chất phóng xạ đều phân rã theo một định luật hàm số mũ Số phân rã dN sau khoảng thời gian dt tỉ lệ với thời gian dt Số phân rã dN tỉ lệ với số hạt nhân chưa phân rã No tại thời điểm t cho trước và liên hệt heo công thức: N : số phân hũy No : số nguyên tử ban đầu A: hệ số tỉ lệ ( hằng số phân rã phóng xa) t: thời gian e': số logaritNebe e = 2,71.

Chu kỳ ban hủy , (bán phân rã). Khoảng thời gian cần thiết để cho số nguyên tử ban đầu (No) của chất phóng xạ bị phân rã một nữa Nếu t =T thì N =No/2 T: chu kỳ bán hủy = lIn2/2 = 0. Chu kỳ bán hủy của các nguyên tử phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tố đó. Có chu kỳ bán hủy kéo dài hàng triệu năm , có chu kỳ bán hũy chỉ kéo dai trong vài ngày , có khi chỉ l/qoo của giây.

Sau đây là bang một số các đồng vị phóng xạ nhân tạo và chu kỳ bán hủy của nó thường gặp .(xin xem trang sau) Đồng vị phóng xạ S3” + œ — Cl +d cl4 — S”“+e*++y T =33phút Si*+a—>P* +p P°”¬s2?+B T= 14,3 ngày FeTM + œ — Ni” +)on NỈ” — Co?” + e* T = 1 ,4ngay Se +d P+ơ P°*—- Si? + e* T =2,5phut Sim +d > Si! +p Si! — P3 + B T=2.8giờ Ca?? + d > Se”” + ‘Gn Se? + Ca” +e T=3,9giờ N*“+p—C”+ơø C"-+B"+e* T =20,4phút Zn” + p> Ga” + on Ga” Ge”” + B +y T =20,3phút Cre +p Mn*! + Mn’! — Cr” + e* T =46phút Mn +!on > V" 44 V —› Cr? + B +y T =3,7phút Yen — Sr? + Pp Sr”? => Y” +p T =54,5ngày Au? +! n> Au? +y Au’ > Au’ +B+y =| T=2,7ngay Mg” +7 — Na + ‘wn Na” — Mg” +B +y T = 15gid F°®+yF°+ !n Fe'® +e*+0" T= 1,8gid P : proton a: hạt “;He Bảng 3 : điều chế va tính chất của một số đồng vị phóng xa 2.Định luật đời chuyển: Trong quá trình phóng xạ có sự biến đổi nguyên tố này thành nguyên tố khác theo một định luật hoàn toàn xác định gọi là qui tắc đời chuyển : Tính phóng xạ của Radi có sự xuất hiện 2 chất khí Radon va Heli Radon phân hủy cho Poloni và Heli Trong quá trình phóng xạ a: điện tích hạt nhân và khối lượng của nguyên tố tạo thành giảm 2 và 4 đơn vị so với nguyên tố ban đầu. Sản phẩm tạo thành dịch 2 ô về phía trước (trái) nguyên tố ban đầu trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep - ‘i 22 Ví dụ: ggRa ------------- > *?Rn + *>He Trong quá trình phóng xạ B : Khối lượng số không thay đổi , điện tích nhân tăng 1 đơn vj. Sản phẩm sẽ dịch chuyển 1 ô về phía phải (sau) nguyên tố ban dau trong bảng tuần hoàn Mendeleep. Vi dụ: Sự phân rã sẽ được nghiên cứu rõ hơn ở phần sau.

CHUONG II PHONG XA TU NHIÊN - CAC LOẠI TIA PHONG XA L.Hién tượng phóng xạ tự nhiên Các đồng vị phóng xa được tìm thấy trong tự nhiên , bản thân các đồng vị này tự phát ra các tia ( œ,B hoặc `) - Hiện nay người ta đã tìm thấy được rất nhiều các đồng vị phóng xạ tự nhiên , va chia chúng thành từng nhóm. Trong quá trình phóng xạ phần lớn sản phẩm tạo thành là những chất phóng xạ , sự phân hủy nối tiếp nhau tạo nên những chuổi phóng xạ (dãy phóng xạ) - Mỗi họ phóng xạ thường bắt đầu bởi 1 đồng vị có chu kỳ bán hủy lớn (hàng triệu năm)và tận cùng là một đồng vị bền. - Hiện nay người ta đã tìm được 3 ho phóng xa trong tự nhiên: 1.Họ phóng xạ Urani. Họ Urani bắt đầu bằng đồng vị ? 2U gọi là Uran I , phóng xạ œ có chu kỳ bán hủy T= 4,5.

tạo ra ””„;Th. Đồng vị này lại phóng xạ B thành ?¡Pa. Cuối cùng chấm dứt bằng đồng vị bén của chì Uran , “5;s;Pb hay radi G ký hiệu ?;;RaG Số khối của họ đồng vị này có thể biến đổi theo công thức Xem bảng (5) 2. Họ phóng xạ Thori Day phóng xạ này bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ Thori~’ooTh.

Chu kỳ bán hủy T = 1,37.10'° năm, phóng xạ œ tạo “S¿Th; Cuối cùng là đồng vị bền chi: “Pb gọi là chì Thori Ky hiệu : ®;;ThP ` Số khối của các đồng vị trong day tuân theo công thức Ath =4k+0 k: số nguyên xem bảng (6 ) 3. Họ phóng xạ Actini Bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ Uran ?;;U (Actini Uran) ký hiệu AnC. Chu kỳ bán hủy 8,5.10Ÿnăm, chấm dứt bằng đồng vị chì “”ạ;Pb (bền) gọi là chì Actini ký hiệu AcP Số khối của dãy được tính theo công thức Ave = 4k +3 k: số nguyên Xem bảng (7) 10 11 12 13 14 Sự cố gắng để tìm ra họ phóng xa tự nhiên với số khối A = 4k + 1 đã không đi đến kết quả tốt đẹp. Tuy vậy bằng con đường nhân tạo người ta đã tạo ra được dãy phóng xạ số khối là 4k + 1, gọi là dãy phóng xa nhân tạo Neptuni.

Bắt đầu bằng đồng vị ?”Np chu kỳ bán hủy T = 2,2 10° năm và kết thúc bằng đồng vị bên Ÿ'; Bi : gọi là Bitmut Anp = 4k + 1 (Xem bang 8) Ta thấy cả 3 họ phóng xa tự nhiên trên đều cho sản phẩm cuối cùng là đồng vị bén của chì (Z = 82) Ngoài 3 họ phóng xạ (tự nhiên) người ta đã tìm thấy trong tự nhiên, người ta còn tìm được nhiều nguyên tố nhẹ hơn cũng có tính phóng xạ tương tự nhưng yếu hơn. Thí dụ : các đồng vị Khi nghiên cứu về sự biến đổi “°s9K người ta thấy xuất hiện đông thời 2 quá trình : quá trình thứ nhất chỉ là quá trình phóng xạ ÿ bình thường tạo đồng vị “9›sCa. Quá trình thứ hai một điện tử ở obitan K nhảy vào hạt nhân do đó điện tích hạt nhân giảm 1 đơn vị tạo đồng vị 'ạAr có thể biểu diễn quá trình như sau 40 2pCa eo 40 30K NN, “0 sAr Thâu đoạt K Do sự chuyển dịch những điện tử ở lớp ngoài vào obitan K nên xuất hiện những vạch quang phổ thuộc dãy K của nguyên tố Agon .Quá trình này gọi là quá trình thâu đoạt K 15 II. Các loại tia phóng xạ : 1/ Tia œ : Chùm hạt a là chùm thông lượng hạt nhân nguyên tử *;H (Heli) tia a được bắn ra với vận tốc ban dau rất lớn.

Khoang 17000km/s gần bằng vận tốc ánh sáng. Tác động lên vật chất của tia œ. Khi hạt nhân œ đi qua vật chất nó sẽ bứt các điện tử ra khỏi điện tử của vật chất này và tạo hơi lon. Một hat œ có năng lượng khoảng 7Mev trong thời gian tổn tại của nó , tạo ra các khoảng 2000 cặp lon trong không khí ở 25°C và 1 atm.