Hoạt độ phóng xạ (Activity)

Đơn vị

Đơn vị SI của hoạt độ phóng xạ là becquerel (Bq), được đặt theo tên của nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel. Một becquerel tương đương với một sự phân rã mỗi giây:

$1 \text{ Bq} = 1 \text{ phân rã/s}$

Một đơn vị cũ hơn, nhưng vẫn được sử dụng phổ biến, là curie (Ci). Một curie được định nghĩa là hoạt độ của một gam radium-226:

$1 \text{ Ci} = 3.7 \times 10^{10} \text{ Bq}$
Do curie là một đơn vị khá lớn nên các tiền tố mili (mCi) và micro (µCi) thường được sử dụng.

Công thức tính toán

Hoạt độ phóng xạ ($A$) có thể được tính toán bằng công thức sau:

$A = -\frac{dN}{dt} = \lambda N$

Trong đó:

• $N$ là số hạt nhân phóng xạ.
• $t$ là thời gian.
• $\lambda$ là hằng số phân rã phóng xạ, một đại lượng đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ. Đơn vị của $\lambda$ là s$^{-1}$. Hằng số phân rã thể hiện xác suất một hạt nhân sẽ phân rã trong một đơn vị thời gian.

Chu kỳ bán rã

Hằng số phân rã ($\lambda$) có liên quan với chu kỳ bán rã ($T_{1/2}$) của đồng vị phóng xạ theo công thức:

$\lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}}$

Trong đó:

• $T_{1/2}$ là chu kỳ bán rã, thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân phóng xạ ban đầu phân rã.

Ý nghĩa và ứng dụng

Hoạt độ phóng xạ là một thông số quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Y học hạt nhân: Xác định liều lượng phóng xạ trong chẩn đoán (ví dụ: chụp PET, SPECT) và điều trị bệnh (ví dụ: xạ trị ung thư).
• Khảo cổ học: Xác định niên đại của các hiện vật cổ xưa bằng phương pháp carbon-14.
• Công nghiệp: Sử dụng trong các thiết bị đo lường, kiểm tra không phá hủy (ví dụ: đo độ dày vật liệu), và kiểm soát chất lượng.
• Môi trường: Theo dõi và đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ trong môi trường, thực phẩm và nước.
• Năng lượng hạt nhân: Giám sát hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân.

Lưu ý

Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ giảm theo thời gian do sự phân rã của các hạt nhân. Sự giảm này tuân theo định luật phân rã phóng xạ.

Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian

Như đã đề cập, hoạt độ phóng xạ giảm theo thời gian. Sự giảm này tuân theo định luật phân rã phóng xạ, được biểu diễn bằng công thức:

$A(t) = A_0 e^{-\lambda t}$

Trong đó:

• $A(t)$ là hoạt độ phóng xạ tại thời điểm $t$.
• $A_0$ là hoạt độ phóng xạ ban đầu (tại thời điểm $t=0$).
• $\lambda$ là hằng số phân rã phóng xạ.
• $t$ là thời gian.

Từ công thức này, ta thấy hoạt độ phóng xạ giảm theo hàm mũ theo thời gian.

Ảnh hưởng của hoạt độ phóng xạ

Hoạt độ phóng xạ cao có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường. Tác động của bức xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Loại bức xạ: Các loại bức xạ khác nhau (alpha, beta, gamma, neutron) có khả năng ion hóa và xuyên thấu khác nhau.
• Liều lượng: Liều lượng bức xạ càng cao, tác động càng lớn. Liều lượng được đo bằng đơn vị sievert (Sv) hoặc rem.
• Thời gian phơi nhiễm: Thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ càng lâu, tác động càng lớn.
• Phần cơ thể bị phơi nhiễm: Một số bộ phận cơ thể nhạy cảm với bức xạ hơn các bộ phận khác. Ví dụ, tủy xương và các cơ quan sinh sản rất nhạy cảm với bức xạ.

Biện pháp an toàn khi làm việc với nguồn phóng xạ

Khi làm việc với nguồn phóng xạ, cần tuân thủ các biện pháp an toàn để giảm thiểu rủi ro:

• Giảm thiểu thời gian phơi nhiễm: Hạn chế thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ.
• Tăng khoảng cách: Khoảng cách càng xa nguồn phóng xạ, liều lượng bức xạ càng thấp (tuân theo quy luật nghịch đảo bình phương khoảng cách).
• Sử dụng vật liệu che chắn: Sử dụng các vật liệu che chắn phù hợp để hấp thụ bức xạ. Chì, bê tông, và nước thường được sử dụng làm vật liệu che chắn.
• Theo dõi liều lượng bức xạ: Sử dụng các thiết bị đo liều lượng bức xạ cá nhân (như TLD) để kiểm soát mức độ phơi nhiễm.

Ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong y học

Trong y học hạt nhân, các đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Ví dụ:

• Iốt-131: Được sử dụng để điều trị ung thư tuyến giáp và các bệnh lý tuyến giáp khác.
• Tecneti-99m: Được sử dụng trong nhiều kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh, chẳng hạn như chụp xương, chụp tim và chụp phổi.
• Coban-60: Được sử dụng trong xạ trị ung thư. Ngoài ra, các đồng vị phóng xạ khác như Y-90, Lu-177 và Ra-223 cũng được sử dụng trong điều trị ung thư.
• Fluor-18 (¹⁸F): Được sử dụng trong chụp PET (Positron Emission Tomography) kết hợp với glucose (¹⁸F-FDG) để phát hiện ung thư và các bệnh lý khác.

Kết luận

Hoạt độ phóng xạ là một đại lượng quan trọng để đánh giá mức độ phóng xạ của một vật liệu. Hiểu rõ về hoạt độ phóng xạ và các đơn vị liên quan là cần thiết trong nhiều ứng dụng khoa học và kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực y học, công nghiệp và bảo vệ môi trường.

• Nuclear and Radiochemistry by Gerhart Friedlander, Joseph W. Kennedy, Edward S. Macias, and Julian Malcolm Miller
• Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics by Raymond A. Serway and John W. Jewett
• Introduction to Nuclear Engineering by John R. Lamarsh and Anthony J. Baratta

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa hoạt độ phóng xạ và liều hấp thụ là gì?

Trả lời: Hoạt độ phóng xạ (đo bằng Bq hoặc Ci) mô tả tốc độ phân rã của một nguồn phóng xạ, tức là số phân rã trên một đơn vị thời gian. Liều hấp thụ (đo bằng Gray – Gy) lại đo lượng năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng vật chất. Nói cách khác, hoạt độ phóng xạ nói về nguồn bức xạ, còn liều hấp thụ nói về tác động của bức xạ lên vật chất.

Làm thế nào để tính toán hoạt độ phóng xạ còn lại sau một khoảng thời gian nhất định, biết hoạt độ ban đầu và chu kỳ bán rã?

Trả lời: Sử dụng công thức $A(t) = A_0 e^{-\lambda t}$, trong đó $A(t)$ là hoạt độ tại thời điểm $t$, $A0$ là hoạt độ ban đầu, $\lambda$ là hằng số phân rã, và $t$ là thời gian. Hằng số phân rã $\lambda$ có thể được tính từ chu kỳ bán rã ($T{1/2}$) theo công thức $\lambda = \frac{ln 2}{T_{1/2}}$.

Tại sao các đồng vị phóng xạ khác nhau lại có hằng số phân rã khác nhau?

Trả lời: Hằng số phân rã là một đặc trưng riêng của mỗi đồng vị phóng xạ, phản ánh sự ổn định của hạt nhân. Sự khác biệt này xuất phát từ cấu trúc bên trong của hạt nhân, bao gồm số proton, số neutron, và sự tương tác giữa chúng.

Ngoài y học và khảo cổ học, hoạt độ phóng xạ còn được ứng dụng trong lĩnh vực nào khác?

Trả lời: Hoạt độ phóng xạ còn được ứng dụng trong nông nghiệp (chiếu xạ thực phẩm để bảo quản, tạo đột biến giống cây trồng), công nghiệp (đo độ dày vật liệu, kiểm tra mối hàn), sản xuất năng lượng (nhà máy điện hạt nhân), và nghiên cứu khoa học (nghiên cứu cấu trúc vật chất, phản ứng hạt nhân).

Liều bức xạ nào được coi là an toàn cho con người?

Trả lời: Không có mức liều bức xạ nào được coi là “hoàn toàn an toàn”. Tuy nhiên, Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Phóng xạ (ICRP) đã đưa ra các giới hạn liều cho công chúng và người lao động tiếp xúc với phóng xạ nghề nghiệp để hạn chế rủi ro. Giới hạn này thường được tính theo đơn vị Sievert (Sv) và thay đổi tùy theo quốc gia và loại hình phơi nhiễm. Điều quan trọng là phải giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ càng nhiều càng tốt theo nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable – càng thấp càng tốt trong khả năng hợp lý).