Phân rã hạt nhân
Cơ sở vật lý của y học hạt nhân
NHẮC LẠI VÀI NÉT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ
Nguyên tử là phần tử nhỏ tuổi nhất của một nguyên tố bắt buộc chia tách bóc được bằng phương pháp hoá học.
Bạn đang xem: Phân rã hạt nhân
Theo tế bào hình cấu trúc của BOHR-RUTHERFORD nguyên tử gồm bác ái và lớp vỏ năng lượng điện tử bao quanh.
p: điện tích +1 tương tự 1,6.10-19C; mp = 938,2 Mev, xuất xắc 1,007276u, = 1836 me (u: đơn vị trọng lượng nguyên tử).
n: được phát hiện năm 1932, năng lượng điện = 0; mn = 939,5 Mev; (khối lượng tuyệt vời = 1,6747.10-27 kg); = 1,008665u = 1838 me
Trong nhân neutron rất có thể chuyển thành proton với 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 nay năm 1897, gồm điện tích âm = 1,602x10-19C (Coulomb); me = 9,108.10-31kg tốt 0,000548u tuyệt 0,511Mev (1u = 1,66.10 -27kg = 931,4 Mev).
Mỗi nhân nguyên tử có một số lượng tốt nhất định p. Bằng số thứ tự Z, toàn bô n+p = A call là số khối. Để ký kết hiệu một nhân tố X, viết như sau: ZXA (chẳng hạn 2He4; 3Li7) hoặc phổ biến là: AX . Thí dụ: 131I 99mTc.
Các đồng vị giống nhau về tính chất hoá học nhưng không giống nhau về công dụng vật lý, được xếp vào cùng một ô trong bảng tuần hoàn Menđêlêep. Chẳng hạn carbon có 3 đồng vị: 6C12, 6C13 6C14 ; Oxy có 3 đồng vị 8O16, 8O17, 8O18...
Điện tử được phân bổ và vận động trên quy trình với xác suất nhất định. Quỹ đạo ngay gần nhân tốt nhất được gọi là quỹ đạo K, tiếp đến là quỹ đạo L, M, N...Mỗi quỹ đạo chỉ chứa một vài lượng năng lượng điện tử nhất định, tiến trình K chỉ chứa buổi tối đa là 2, quy trình L về tối đa là 8. Sự phân bố số lượng điện tử theo đúng quy hiện tượng 2n2.
Trong nguyên tử, điện tử có hai dạng năng lượng: rượu cồn năng bằng năng lượng của tốc độ trên quỹ đạo, nắm năng bằng tích điện do vị trí của điện tử đối với nhân, càng phương pháp xa nhân thì ráng năng càng lớn. Điện tử ở hành trình ngoài sẽ có thế năng to hơn (và cả hễ năng) so với năng lượng điện tử quy trình trong. Năng lượng điện tử được xem bằng đơn vị chức năng điện tử vôn (electronvolt, eV). Nếu giữa hai điện cực chênh nhau một điện nỗ lực là 1000V thì điện tử sẽ có tích điện là 1000 eV, hoặc viết là 1keV. 1eV=1,602x10 ‑19J.
HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ
Không bao lâu sau sáng tạo của Roentgen về các tia có tên ông, năm 1896 Becquerel đã tìm ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên và thoải mái khi quan gần kề thấy muối bột uran và hồ hết hợp hóa học của nó gồm tính phát ra những tia không nhận thấy được và bao gồm sức đâm xuyên hơi mạnh. Năm 1902 Curi đưa ra đồng vị phóng xạ Radi, năm 1932 tín đồ ta chứng thực sự trường tồn của neutron và cần sử dụng neutrron bắn phá những hạt nhân khác đã thu được những hạt nhân phóng xạ mới.
Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử biến đổi để trở nên một phân tử nhân nguyên tử không giống hoặc sinh hoạt trạng thái năng lượng khác, trong thừa trình đổi khác đó hạt nhân vạc ra hầu hết tia có năng lượng lớn call là những tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân.
Hiện nay fan ta đã tìm kiếm được trên 300 đồng vị bền, 60 đồng vị phóng xạ sẵn bao gồm trong từ nhiên, ngay sát 3000 đồng vị phóng xạ nhân tạo.
Người ta vẫn tìm ra 3 hàng nguyên tố phóng xạ: Thorium; Uranium; Actinium; và tìm ra bằng phương thức nhân sản xuất dãy Neptunium.
Thorium 232Th → 208Pb
Actinium 235U → 207Pb
Uranium 238U → 206Pb
Neptunium 241Pu → 209Bi
Các dạng phân rã phóng xạ.
Có nhiều phương pháp phân chảy phóng xạ, tuỳ thuộc vào trạng thái nguyên thuỷ của nhân không đúng định, nghĩa là tuỳ nằm trong vào nhân thiếu hụt p hay n.
Phân tung alpha (α ): thường xảy ra ở đều nguyên tố nặng, tất cả số khối mập (Z>83). Trong quá trình hạt nhân chuyển đổi phát ra 1 hạt chính là hạt nhân nguyên tử He: AX → 4 α + A-4Y
Thí dụ: 238U → 4 α + 234Th
Để biểu diễn ngắn gọn hiện tượng phóng xạ, bạn ta cần sử dụng sơ thiết bị phân tan phóng xạ. Trên sơ đồ bạn ta ghi kí hiệu của phân tử nhân trước và sau khoản thời gian xảy ra phân tung phóng xạ, chu kỳ bán tung của quá trình và tỷ lệ xác suất của từng dạng phân rã. Tâm trạng cơ bản của hạt nhân trước và sau thời điểm phân rã được trình diễn bằng vạch đậm đường nét nằm ngang. Quá trình phân rã dẫn đến sinh sản thành hạt nhân mới bao gồm điện tích lớn hơn hạt nhân thuở đầu được kí hiệu bằng mũi tên đi xuống và hướng thanh lịch phải. Nếu hạt nhân mới tất cả điện tích nhỏ hơn hạt nhân thuở đầu thì quá trình phân rã được ký kết hiệu bằng mũi tên trở lại hướng về bên cạnh trái. Còn quá trình phân rã mà không làm biến hóa điện tích của hạt nhân được cam kết hiệu bởi mũi thương hiệu hình sóng, trở xuống thẳng đứng.
Chẳng hạn Radi phân rã chuyển thành radon theo sơ đồ gửi mức tích điện như sau:
Phân tung beta (β): là quá trình hạt nhân đổi khác để vươn lên là một hạt nhân khác gồm cùng số khối dẫu vậy điện tích thay đổi D Z = ±1 cùng phát ra một hạt là pozitron giỏi electron.
Phân rã β -: Khi bao gồm dư neutron, nhân bất ổn định, đề xuất tìm giải pháp giải phóng neutron dư kia mới bình ổn được. Làm bật neutron ra khỏi nhân là khó vì không đủ năng lượng, bởi vì vậy thông thường theo nguyên tắc tương tác những lực yếu, nhân sẽ chuyển neutron thành proton với giải phóng ra một năng lượng điện tử (beta âm) cùng phản neutrino. Phản neutrino là một trong những phản phân tử của neutrino. Cả nhị đều không tồn tại trọng khối và tất cả vận tốc bằng phẳng tốc ánh sáng.
n → p. + e- + g (phản neutrino)
Nhân mới tạo thành nhận thêm proton, sẽ dịch chuyển sang bên phải 1ô trong bảng tuần hoàn của Menđêlêep, trở nên nhân không giống so với ban đầu:
ZXA →Z+1YA
ví dụ: 15P32 →16S32
Số Z tăng 1, số A ko đổi, hạt phản neutrino không tồn tại trọng lượng, không có điện tích, không có vai trò gì vào y học hạt nhân đề nghị không cần thân yêu đến.
32P phân phát xạ beta đối chọi thuần được sử dụng trong mục đích điều trị, liều hấp phụ lớn để diệt tế bào ung thư.
Phân tan beta âm có thể kèm theo sự phản xạ gamma. Trường vừa lòng này xảy ra khi nhân mới tạo thành chưa thật ổn định (cận bền vững). Ví dụ nổi bật là 60Co, một nguồn phóng xạ hay sử dụng trong y học:
Phân rã β+: Hiện tượng này xảy ra khi nhân có không ít p, tức là thiếu hụt neutron và như vậy buộc phải chuyển 1 proton thành neutron, 1 positron (β +) và 1 neutrino.
Sơ đồ vật phân chảy beta dương là sơ đồ gửi trái. Nhân con được tạo ra sẽ ít hơn nhân bà mẹ 1 proton, đề xuất sẽ di chuyển 1 ô trở về bên cạnh trái của bảng tuần hoàn.
Các phân tử beta dương cũng có phổ tích điện liên tục. Positron bắt buộc tồn tại khi ở tâm lý tĩnh, bởi vậy khi hết động năng nó đang kết hợp với 1 năng lượng điện tử chuyển từ hạt sang sóng năng lượng điện từ bên dưới dạng 2 bức xạ gamma 0,511 MeV theo 2 hướng khác nhau.
Năng lượng cần để sở hữu phân chảy β + tối thiểu là 1,022MeV. Vào phân rã β +, tích điện dư rất có thể phát gamma kèm theo. Phân chảy beta dương thường xẩy ra với số đông nuclit tất cả Z thấp, gồm trong thành phần khung người người như Carbon, Oxygen, Nitrogen là những chất dễ tạo ra các nuclit beta dương. Những chất này được dùng nhiều trong chẩn đoán bởi PET.
15O vạc β+ (99,9%), Emax = 1,72MeV
13N vạc β + (100%), Emax = 1,19MeV
11C phân phát β + (99%), Emax = 0,96MeV
Phân rã phát xạ tia gamma:
Một nhân bị kích mê thích sẽ mau lẹ trở về tinh thần cơ sở, thời hạn thường là 10-15 đến 10-20giây. Bạn ta sử dụng khái niệm nửa đời (half life) nhằm chỉ thời gian tồn tại một ít của trạng thái nhân bị kích thích, thời hạn ấy vào tầm 10-15 giây. Mặc dù vậy cũng đều có một số không nhiều trường hợp nửa đời kéo dãn hàng giây, hàng tiếng đồng hồ hoặc mặt hàng ngày. Trạng thái đó được gọi là trạng thái cận định hình (metastable). Trong số những trường hợp này, nhân bị kích thích dừng lại ở nút 2 rồi mới trở về tinh thần cơ sở. Technetium-99m (99mTc) hay cần sử dụng trong y học tập là điển hình của tập thể nhóm các chất cận ổn định.
QUY LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
Trong một mối cung cấp phóng xạ, số phân tử nhân phóng xạ bớt dần theo thời gian. Ta tùy chỉnh thiết lập quy luật pháp đó.
Giả sử ở thời khắc t, số phân tử nhân phóng xạ không phân tung là N. Sau thời hạn dt, số đó biến đổi N – dn vì có doanh nghiệp hạt nhân vẫn phân rã. Độ giảm số hạt nhân không phân tan - doanh nghiệp tỉ lệ với N với dt.
- dn = lNdt
Trong đó hệ số tỉ lệ l tuỳ nằm trong vào chất phóng xạ với được điện thoại tư vấn là hằng số phân rã. Theo định nghĩa, l là phần trăm phân chảy của từng hạt nhân vào một đơn vị thời gian. Vì đó: dN/N = - ldt.
Thực hiện tại phép tích phân ta được: N = Noexp (-lt).
Trong đó: N = số nhân phóng xạ ở thời khắc t.
N0 = số nhân phóng xạ ở thời khắc ban đầu.
Xem thêm: 3 Siêu Xe Đắt Giá Nhất Việt Nam, Top 5 Xe Đắt Nhất Việt Nam Hiện Nay
l = hằng số phân rã; t = thời gian.
Để phân biệt tốc độ phân tung nhanh, chậm của những chất phóng xạ, người ta đưa ra khái niệm T1/2 (thời gian chào bán rã), là thời hạn mà N0 giảm đi một nửa.
N = No/2 = Noexp (-lT1/2).
T1/2 = ln2/l = 0,693/l
Để biểu thị một biện pháp định lượng về một hóa học đồng vị phóng xạ, fan ta sử dụng khái niệm hoạt độ (activity), thường ký kết hiệu bằng chữ A.
A = lN
Đơn vị đo hoạt độ là curie (Ci), millicurie (mCi), microcurie (mCi) hoặc theo chính sách của đam mê (system international), đơn vị đo là becquerel (Bq). Đơn vị Bq vô cùng nhỏ, bởi vậy thường được sử dụng kilobecquerel (kBq), megabecquerel (MBq).
1Ci=3,7x1010phân rã /giây; 1mCi=3,7x107phân tung /giây.
1mCi =3,7x104phân chảy /giây; 1Bq=1phân chảy /giây.
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HẠT NHÂN PHÓNG XẠ.
Hầu hết các hạt nhân phóng xạ thoải mái và tự nhiên đã được tra cứu thấy. Những hạt nhân này thông thường có đời sống thừa dài bắt buộc không tương thích cho thực hiện trong y học phân tử nhân. Những hạt nhân phóng xạ thực hiện trong y học phải có thời gian bán huỷ trang bị lý đủ ngắn, năng lượng vừa phải đặt tránh liều kêt nạp không có lợi cho căn bệnh nhân. Phần đông hạt nhân này gần như được chế tạo bằng cách thức nhân tạo.
Hệ thống sinh xạ.Chất đồng vị phóng xạ nào có đời sống tương đối ngắn sẽ được áp dụng dễ dàng trong chẩn đoán. Nhưng câu hỏi chuyên chở hóa học phóng xạ cuộc sống ngắn từ nơi thêm vào tới đại lý y học phân tử nhân sẽ tương đối khó khăn. Bởi vì vậy fan ta phải sản xuất ra những bình sinh xạ (generator), chúng được vận tải một cách tiện lợi đến vị trí tiêu dùng, khi nào cần thì bóc tách chiết để lấy ra chất phóng xạ dùng cho chẩn đoán hoặc điều trị. Bình sinh xạ hay sử dụng trong y học hạt nhân là 99Mo/99mTc. Molybden-99 là chất bao gồm T1/2=66h, khi phân rã beta sẽ thành 99mTc ở nhiều trạng thái khác nhau, trong những số ấy có trạng thái định hình muộn, ký hiệu là 99mTc. Chất 99mTc gồm T1/2 =6h, được dùng nhiều trong y học phân tử nhân, vì chưng đời sống không thực sự dài, cũng không quá ngắn và năng lượng 140 keV đủ để ghi hình tốt mà không thực sự mạnh, không gây tổn sợ hãi đến các mô trong khung hình như một trong những chất đồng vị phóng xạ khác.
Những tính chất cơ bản của một hệ sinh xạ:
Hạt nhân nhỏ được có mặt với độ tinh khiết hoá phóng xạ với hạt nhân phóng xạ cao.
Phải an toàn, đơn giản dễ dàng trong thao tác
Vô khuẩn, không tồn tại pyrogen
Khả năng tách chiết dễ, nhiều dạng.
Đời sống hạt nhân phóng xạ nhỏ phải ngắn thêm một đoạn 24 giờ.
Thời gian đạt mức tối nhiều (Tmax) của chất con được xem theo công thức:
Tmax = <3,312xT1T2/(T1-T2)> log(T1/T2) = <2,303/(l2 -l1)> log (l2/l1)
Trong bình sinh xạ Mo-Tc, tín đồ ta cho 99Mo hấp thụ vào cột alumina (Al2O3), tự đó sử dụng dung dịch nước muối hạt sinh lý bóc chiết ra Tc, chất chiết ra tất cả Tc trạng thái định hình muộn, Tc trạng thái kích ưng ý khác và cả Tc ở trạng thái cơ phiên bản ổn định. Sau khi đã chiết ra, các chất Tc trong cột alumina giảm sút 80%, rồi lại tăng mạnh lên và đạt về tối đa vào thời gian 23h sau (thấp hơn lần trang bị nhất) cùng cứ bởi vậy sau mỗi chu kỳ 23h lại lấy được Tc ở tại mức cao nhất, nhưng sút dần.
Lò làm phản ứng bao giờ cũng có một trong những lượng béo neutron, do vậy khôn xiết dễ tạo thành các nuclit phóng xạ tất cả dư neutron (phân rã beta âm). Đại nhiều phần các nhân phóng xạ thường dùng trong YHHN là các chất được chế từ bỏ lò phản ứng.
Chế chế tạo ra từ máy tốc độ vòng.Các máy vận tốc hạt tích năng lượng điện được tạo thành hai đội dựa trên phương thức gia tốc, kia là tốc độ thẳng và vận tốc vòng. Vận tốc hạt trong cả 2 nhóm được tiến hành do lực hút tĩnh điện giữa các hạt tích điện cùng ống tích năng lượng điện trái vết được phân làn nhau bằng bộ phận cách điện.
Máy gia tốc vòng có thể bắn những proton, deutron hoặc hạt alpha vào vào nhân và do vậy sẽ tạo nên được các nuclit tất cả dư proton, những chất phân tung beta dương hoặc bắt điện tử. Ví dụ: nuclide 127I khi được bắn vào một trong những proton 60 MeV, nó sẽ phóng ra 5 neutron chuyển thành 123Xe, tiếp nối qua phân rã beta dương cùng bắt năng lượng điện tử đưa thành 123I, được dùng làm ghi hình tốt nhất trên lắp thêm SPECT. Phương trình tình tiết như sau:
127I (p,5n) →123Xe → 123 I
Hoặc đối với 67Ga: 68Zn (p, 2n)→ 67Ga
TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ VỚI VẬT CHẤT
Với gần như photon thường dùng trong y học, mức tích điện từ 50 keV đến 5 MeV, sẽ có ba quy trình tương tác xảy ra: tán xạ compton, hấp phụ quang điện với hiệu ứng tạo thành cặp.
Hiệu ứng quang điện.Photon thúc đẩy với điện tử quỹ đạo lớp trong (K hoặc L), truyền toàn bộ năng lượng (hn) mang lại điện tử, hiệu quả điện tử bị bắn thoát ra khỏi nguyên tử (gọi là quang năng lượng điện tử) với đụng năng Ed:
E g = tp hà nội = Eq - Ed (Eq là công thoát; Ed là động năng).
Hiệu ứng quang điện thiết yếu xảy ra so với điện tử từ bỏ do.
Hấp thu quang năng lượng điện là hiện tượng rất dễ dãi cho vấn đề ghi hình YHHN, vì rất có thể chặn những photon đó để tạo thành dòng năng lượng điện tử một cách dễ dàng. Tinh thể NaI, những collimator chì...đều làm dừng các photon, các điện tử nhảy ra được thu nhận cùng khuếch đại trong hệ thống ghi hình của máy SPECT.
Tán xạ Compton.Năng lượng photon tán xạ cùng electron trang bị cấp được tính theo công thức:
Eg2 = Eg1/<1 + (1- cosq) Eg1/511> (keV)
Ee = Eg1 - Eg2
Tán xạ compton khiến nhiều bất lợi cho chẩn đoán YHHN bởi những tán xạ đó làm cho nhiễu, khó định vị nơi xuất phát, đồng thời làm mờ hình ảnh ghi được. Người ta rất có thể khống chế tán xạ compton bằng phương pháp giới hạn trong một khung cửa sổ nhất định, không cho các bức xạ yếu đuối lọt qua, mặc dù cũng ko thể thải trừ được trả toàn.
Sự chế tạo cặp.Khi photon đi vào vùng năng lượng điện trường của nhân nguyên tử, sẽ gửi từ dạng sóng sang dạng hạt với hạt sẽ được tạo thành là: electron, positron, gồm động năng: E e+p = tp hà nội - 2m0C2.
Khi positron chạm chán một electron trong môi trường sẽ xảy ra hủy cặp, chế tạo thành 2 photon, mỗi photon có năng lượng E = m0C2 = 511keV. Theo định vẻ ngoài bảo toàn năng lượng, muốn tạo được cặp photon 511keV, photon thuở đầu phải có năng lượng >1022 keV. Hầu như nuclit dùng để làm ghi hình trong YHHN đều phải có năng lượng bé dại hơn 1022keV đề nghị không xảy ra hiện tượng này.
Tài liệu tham khảo
Giáo trình Y học phân tử nhân, học viện Quân y, 2010.
Brenda Walker, Peter Farritt: Basic physics of nuclear medicineIn Basic science, section 8, p 1279 - 1289
