Hiểu biết căn bản về ảnh hưởng sinh học của phóng xạ

Fri 10 May 2013, 00:28

1- Phóng xạ ion hóa - ionizing radiation là gì đây ?

Theo Wikipedia, từ điển bách khoa tự do, phóng xạ ion hóa gồm những hạt (hạt tử) - particles hay các làn sóng điện từ - electromagnetic waves khá đầy đủ năng lượng để tách những electrons (điện tử âm) ra khỏi nguyên tử hay phân tử và như vậy là làm ion hóa chúng. Ion hóa trực tiếp từ các ảnh hưởng của những hạt tử duy nhất hay những quang tử - photons duy nhất, sản xuất ra những gốc hóa học tự do, là những nguyên tử hay phân tử chứa các electrons không cặp đôi - unpaired, đặc biệt có khuynh hướng phản ứng hóa học, vì cơ cấu điện tử của chúng.

Mức độ và tính chất một sự ion hóa như thế tùy thuộc năng lượng của các hạt tử (gồm luôn cả quang tử ) không phải theo con số chúng (cường độ). Khi thiếu nhiệt lượng - heat hay hấp thu đa phương - multiple absorption của quang tử (một tiến trình hiếm có), một tràn ngập cường tính của những hạt tử hay làn sóng hạt tử không gây ra ion hóa, nếu mỗi hạt tử hay mỗi làn sóng hạt tử không mang theo đủ năng lượng cá nhân để bị ion hóa (tỉ như một luồng rađiô cao mạnh). Ngược lại, ngay cả một phóng xạ cường độ rất thấp, cũng sẽ ion hóa, nếu hạt tử cá nhân mang theo đủ năng lượng (tỉ như luồng tia-X thấp yếu). Nói nôm na, các hạt tử hay quang tử có năng lượng trên vài electron volt (eV) lại ion hóa, dù cường độ chúng thế nào đi nữa.

Những thí dụ các hạt tử ion hóa là hạt tử alpha, hạt tử beta trung hòa tử - neutrons và các tia vũ trụ. Khả năng của một làn sóng điện từ (quang tử) để ion hóa một nguyên tử tùy thuộc tần số của nó, qui định năng lượng hạt tử liên kết nó là quang tử. Phát xạ trên cuối làn sóng ngắn short-wavelength của quang phổ điện từ tỉ như tia cực tím tần số cao - high frequency ultraviolet, các tia X, các tia gamma, đã ion hóa, nhờ chúng gồm những quang tử năng lượng cao. Phát xạ năng lượng thấp, tỉ như ánh sáng nhìn thấy được, tia hồng nội, viba - microwaves , các làn sóng rađio, đều không ion hóa. Những loại cuối này của phát xạ năng lượng - thấp không ion hóa có thể làm hư hại các phân tử, nhưng ảnh hưởng khó lòng phân biệt với những ảnh hưởng của việc đun nóng-heating đơn giản. Đun nóng như thế không sản xuất ra các gốc tự do, mãi cho đến khi đạt tới những nhiệt độ cao hơn (chẳng hạn, nhiệt độ ngọn lữa - flame temperature hay nhiệt độ làm nâu - browning temperature hay cao hơn). Trái lại, tai hại do phát xạ ion hóa sản xuất gốc tự do, ngay cả ở nhiệt độ bình thường hay thấp hơn, và sản xuất ra những gốc tự do này là lý do chúng hay những phát xạ ion hóa khác, sản xuất những loại ảnh hưởng hóa học hoàn toàn khác biệt với việc đun nóng ở nhiệt độ thấp. Sản xuất gốc tự do cũng là căn bản chủ yếu nguy hiểm đặc biệt cho các hệ thống sinh học của vài số lượng tương đối nhỏ của phát xạ ion hóa, thường nhỏ hơn nhiều số lượng cần thiết hầu làm nóng (đun) đáng kể. Các gốc tự do làm hư hại DNA dễ dàng, và phát xạ ion hóa cũng có thể làm hư hại trực tiếp DNA bằng cách làm ion hóa hay phá vỡ các phân tử DNA.

Phát xạ ion hóa có mặt khắp nơi trong môi sinh và cũng đến từ các vật liệu phóng xạ, các ống tia X, các máy gia tốc - accelerators hạt tử. Nó vô hình - không nhìn thấy được và không được cảm giác con người đo được trực tiếp, cho nên những dụng cụ tỉ như máy đếm Geiger counters hay được sử dụng để dò ra hiện diện của chúng. Trong vài ca, điều này có cơ đưa tới những phát xạ thứ cấp của ánh sáng nhìn thấy được khi tương tác với chất liệu - matter, như phát xạ và phát quang radio - radioluminescence Chernobyl. Phơi bày với phóng xạ gây ra tai hại cho mô sống - living tissue, và một lượng cao có thể phát sinh đột biến - mutation, đau ốm vì phát xạ, ung thư và chết chóc.

2 - Loại phóng xạ ion hóa

Rất nhiều loại phóng xạ ion hóa có thể sản xuất vì phân rã phóng xạ - radioactive decay, phân hạch - nuclear fission, dung hạch (dung hợp hạt nhân) - nuclear fusion, hay vì các máy gia tốc hạt tử và những tia vũ trụ xảy ra thiên nhiên. Muon và nhiều loại meson (đặc biệt các pion điện tính - charged pions) cũng ion hóa.

Muốn một hạt tử bị ion hóa, năng lượng hạt tử phải đủ cao và phải tương tác với những nguyên tử của mục tiêu.

Quang tử tương tác điện từ với các hạt tử điện tính. Thế cho nên quang tử có đủ năng lượng cao cũng ion hóa. Năng lượng lúc hiện tượng này khởi đầu cũng xảy ra với quang tử (ánh sáng) là ở tần số cao phần cuối vùng cực tím (tử ngoại) của quang phổ điện từ.

Những hạt tử điện tính tỉ như electron, positron, muon, proton, hạt tử alpha và các nhân nguyên tử nặng từ các máy gia tốc hay các tia vũ trụ cũng tương tác điện từ với các electron của một nguyên tử hay một phân tử. Muốn góp phần vào phóng xạ nền móng vì lẽ có các tia vũ trụ, nhưng chính chúng lại được xem là không có mấy hiểm nguy, vì chưng chúng ở những nồng lượng tương đối thấp. Các pion (một loại hạt tử đôi khi có điện tính đời sống ngắn ngủi) có thể sản xuất ở những số lượng lớn trên các máy gia tốc hạt tử lớn nhất. Pions không phải là một hiểm nguy sinh học theo lý thuyết ngoại trừ gần những máy đang hoạt động, cho nên phải đặt các máy này vào nơi kiểm soát an ninh nặng nề.

Mặt khác, neutron có điện tinh bằng zêro ( số không), không tương tác với electron; cho nên chúng không thể gây ra ion hóa trực tiếp theo cơ chế này. Tuy nhiên, các neutron mau lẹ sẽ tương tác với những proton ở hydrogen (theo cách một banh bi da đụng nhau, húc đầu đẩy nó đi xa với tất cả năng lượng chuyễn động trái banh đầu tiên) và cơ chế này sản xuất ra phóng xạ proton (proton mau lẹ - fast proton). Những proton này làm ion hóa, vì chúng có điện tính và tương tác với các electron trong chất liệu.

Một neutron cũng có thể tương tác với nhân các nguyên tử khác, tùy theo nhân và tốc độ của neutron. Những phản ứng này xảy ra với các neutron mau lẹ và neutron chậm chạp - slow neutron, tùy theo hoàn cảnh. Những tương tác neutron theo kiểu này thường sản xuất nhân phóng xạ, có cơ làm phóng xạ ion hóa, khi chúng phân rả; như vậy chúng có thể làm thành những phản ứng dây chuyền trong khối lượng đang phân rả - decaying.

Một sự cố ion hóa sản xuất ra một ion nguyên tử dương - positive và một electron. Những hạt tử beta năng lượng cao có thể sản xuất “ bremsstralung” khi xuyên qua chất liệu, hay các electron thứ cấp (delta - electron); cả hai đều có thể ion hóa. Những hạt tử beta năng lượng, ti như loại do 32P phát ra, được giảm tốc độ mau lẹ, khi xuyên qua chất liệu. Năng lượng mất đi vì giảm tốc, được phát ra dưới hình dạng của những tia X tên gọi là “Bremsstralung” hay “Phát xạ Rà thắng - Braking Radiation”. Bremsstralung là hiện tượng đáng lo ngại khi che khiên mộc các máy phát ra - emitter tia beta. Cường độ Bremsstralung tăng gia khi năng lượng các electron hay số nguyên tử của môi trường hấp thu, tăng gia.

Khác các hạt tử alpha hay beta, các tia gamma không ion hóa suốt đường mình đi , nhưng lại thường tương tác với chất liệu theo một trong ba phương cách sau đây: ảnh hưởng quang điện - photoelectric effect hay ảnh hưởng Compton và sản xuất cặp đôi - pair production. Thí dụ ở hình đính kèm trình bày ảnh hưởng Compton “: hai phân tán - scattering Compton xảy ra theo trình tự. Ở mỗi sự cố Compton, tia gamma chuyễn năng lượng qua một electron , và đi tiếp con đường mình theo một hướng khác với năng lượng giảm bớt.

Trong cùng một hình, neutron đụng độ một proton của vật liệu mục tiêu; rồi thì trở thành một proton mau lẹ cuộn lại - fast recoil proton, sau đó ion hóa. Cuối đường, neutron bị một nhân chụp bắt trong bất cứ một phản ứng nào (n hay gamma ở hinh), đưa tới một quang tử neutron bị chụp bắt.

[...]

GS. Tôn thất Trình

(Còn tiếp)