Bài giảng Cơ sở vật lý | Trường Đại học Y khoa Phạm Ngọc Thạch

ĐẠI HỌC Y KHOA PHẠM NGỌC THẠCH CHUYÊN ĐỀ:
ỨNG DỤNG BỨC XẠ ION HÓA TRONG Y TẾ
KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN VÀ Y HỌC CƠ SỞ BỘ MÔN VẬT LÝ Y SINH
• Giảng viên: Nguyễn Trần Thọ
• Email: nguyentrantho@pnt.edu.vn
• Địa chỉ liên hệ: Bộ môn Vật lý Y sinh, lầu 3, TTXNYK, Xã Tân Nhựt, Tp. HCM 1 Tài liệu tham khảo
1. David Hal iday, Robert Resnick, Jearl Walker, “Cơ sở Vật lý Tập
6 - Quang học và Vật lý lượng tử”, NXB Giáo dục,
2. Eric J. Hal , Amato J. Giaccia, “Radiobiology for the
Radiologist”, Nxb Lippincott Wil iams & Wilkins, 2006
3. Abdelhamid H.Elgazzar, “The Pathophysicologic Basis of
nuclear Medicine”, Nxb Springer, 2006
4. Magdy M. Khalil, “Basic Sciences of Nuclear Medicine”, Nxb Springer, 2011. 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 2 CHUYÊN ĐỀ
ỨNG DỤNG BỨC XẠ ION HÓA TRONG Y TẾ I. Cơ sở vật lý
II.Cơ sở của sinh học phóng xạ
III.Ứng dụng bức xạ ion hóa trong y học IV.An toàn bức xạ 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 3 CHUYÊN ĐỀ 5
ỨNG DỤNG BỨC XẠ ION HÓA TRONG Y TẾ
Mục tiêu của chuyên đề
Cung cấp một số kiến thức tổng quan cơ bản về vật lý
nguyên tử; hạt nhân nguyên tử và những tính chất của chúng.
Cung cấp một số kiến thức cơ bản về những ứng dụng của
hạt nhân trong y học như x-quang, CT, MRI, SPECT, PET.
Sinh viên có những hiểu biết cơ bản về mức độ nguy hiểm
của các hiện tượng phóng xạ do hạt nhân gây ra 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 4 CHUYÊN ĐỀ 5 CƠ SỞ VẬT LÝ
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử
2. Cấu trúc và tính chất của hạt nhân
3. Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 5 Mục tiêu bài giảng
Sau khi học xong, sinh viên sẽ:
1) Giải thích được đặc trưng cơ bản của lớp vỏ nguyên tử, của hạt
nhân nguyên tử, nguồn gốc sinh ra các loại tia.
2) Tính được năng lượng liên kết, khối lượng nguyên tử trung bình
3) Phân biệt được các loại phóng xạ tự nhiên, và tính được chu kỳ,
hằng số, hoạt độ phân rã phóng xạ; cân bằng phản ứng hạt nhân.
4) Phân biệt được các quá trình tương tác của photon, hạt mang
điện, neutron với vật chất, các trường hợp đặc biệt, tính năng lượng neutron.
5) Tính được sự suy giảm chùm tia theo hệ số suy giảm tuyến tính 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 6
Các hằng số và đơn vị vật lý
Đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt : amu hoặc u) 1 amu = 1,66056 x 10–24 g
Điện tích cơ bản: 1 e = 1,6 x 10–19 C Đơn vị dộ dài:
1 A0 = 1010 m, Fermi: 1F = 1013 cm = 1015 m Đơn vị đo thời gian
Giây (s), micro giây (1 s = 106 s),
nano giây (1 ns = 109s ), pico giây 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 7
Các hằng số và đơn vị vật lý
Đơn vị đo năng lượng:
ElectronVolt, 1 eV = 1,6 x 10 – 19 J
1 keV = 103 eV, 1 MeV = 106 eV, 1 GeV = 109 eV
Hằng số Plank: h = 6.626068 × 10-34 m2 kg / s
E = hc/ ( là bước sóng)
Vận tốc ánh sáng: c = 3 x 108 m/s
Hệ thức khối lượng – năng lượng (Einstein): E = mc2 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 8 CHUYÊN ĐỀ 5 CƠ SỞ VẬT LÝ
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử
2. Cấu trúc và tính chất của hạt nhân
3. Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 9
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử
 Một nguyên tử = { một hạt nhân, các electron}
 Các nucleon = {proton; neutron}
 Hạt nhân = sự kết hợp thống nhất của các proton và neutron 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 10
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt) Ký hiệu: A X 𝑋 − 𝐴 Z N 𝑋 𝑋 Ví dụ: 60Co 𝐶𝑜 27 33 𝐶𝑜 Co-60
 Số khối A = số nucleon = Z + N
 Số nguyên tử Z = số proton = số electron  Số neutron N
 Một nguyên tố được đặc trưng bởi A và Z Hạt Ký hiệu Điện tích Khối lượng Năng lượng (e) (amu) (MeV) Proton p +1 1.007276 938.272 Neutron n 0 1.008665 939.573 Electron e- 1 0.000548 0.511 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 11
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt)
Mẫu mô hình nguyên tử Bohr – mẫu mô hình hành tinh nguyên tử:
 Được giới thiệu bởi Neils Bohr 1913
 Miêu tả nguyên tử rất nhỏ
 Hạt nhân mang điện tích dương
 Được bao quanh bởi các electron di chuyển trên các quỹ đạo
quanh hạt nhân – tương tự như cấu trúc của hệ mặt trời nhưng
lực hút tĩnh điện thay cho lực hấp dẫn. 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 12
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt) Mô hình Bohr Hai phát biểu quan trọng
#1: Bohr phát biểu rằng các electron chuyển động
quanh hạt nhân theo những quỹ đạo tròn, nhưng chỉ
trên những quỹ đạo được phép.
#2: Các electron trong một nguyên tử không những
không thể mất năng lượng một cách liên tục, mà còn
phải thực hiện các “bước nhảy” lượng tử 18/10/2025
Chuyên đề 5: Ứng dụng bức xạ ion hoá trong y hoc 13
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt) Mô hình Bohr Nguyên tử hydro  e2 v2 2 ke  F  m a k  m r  r2 r 2 mv 18/10/2025 NTT 14 Nguyên tử hydro
Lượng tử hóa các mức năng lượng L  r  p h L  rmv  n h L  n 2 2 2 2 n h n r  2 2 4 mke 2  r 2 h n r n 1 r  1 2 2 4 mke 18/10/2025 NTT 15
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt)
Bán kính quỹ đạo của electron trong nguyên tử 1  0 Bán kính Bohr 1 r  0.52910 m 𝑟 = 4𝑟 = 2.12 × 10 𝑚
𝑟 = 𝑛 𝑟 , 𝑛 = 1, 2, 3, . . 18/10/2025 NTT 16
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt) Mô hình Bohr
Các mức năng lượng riêng
Năng lương toàn phần của electron ở quỹ đạo rn 2 1 2 e n E  K n E  P n E  mv  k 2 n n r n=3 n=2 E2 = -3.4eV 2 4 2 2 e mk 1 n E   2 2 h n n=1 E1 = -13.6eV 1 𝐸 = − 13.6 𝑒𝑉 , 𝑛 = 1, 2, 3, … 𝑛 Nguyên tử hydro 18/10/2025 NTT 17
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt) Mô hình Bohr
Trạng thái cơ bản và kích thích
• Trong mô hình Bohr của nguyên tử hydro, mức năng
lượng thấp nhất của eletron tương ứng với quỹ đạo n
= 1, được gọi là trạng thái cơ bản.
• Khi nguyên tử nhân năng lượng, electron nhảy lên
quỹ đạo có năng lượng cao hơn, được gọi là trạng thái kích thích.
• Nguyên tử kém bền khi ở trạng thái kích thích nên
nó sẽ giải phóng năng lượng và quay về trạng thái cơ bản.
– Có thể thông qua một hoặc nhiều bước nhảy.
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt)
Mô hình cơ học lượng tử
• Các electron nằm ở những mức năng lượng xác định.
• Không có đường đi chính xác xung quanh hạt nhân.
• Mô hình ước lượng xác suất để tìm thấy
một electron một vị trí nào đó.
1. Cấu trúc và tính chất của nguyên tử (tt) Quỹ đạo nguyên tử:
Một vùng trong không gian, tại đó có xác suất cao
để tìm thấy một electron. Các số lượng tử:
Xác định thuộc tính của các quỹ đạo nguyên tử và của các electron.