Giáo trình Vật lý – Lý sinh Y học Tác giả: Bùi Văn Thiện, Ng. Quang Đông, Ng. Xuân Hòa, Vũ Thị Thúy Trường ĐH Y Dược- ĐH Thái Nguyên, 2014

8/12/2019 Giáo trình Vật lý – Lý sinh Y học Tác giả: Bùi Văn Thiện, Ng. Quang Đông, Ng. Xuân Hòa, Vũ Thị Thúy Trường ĐH Y…

http://slidepdf.com/reader/full/giao-trinh-vat-ly-ly-sinh-y-hoc-tac-gia-bui-van-thien 1/293

1

TR ƯỜ NG ĐẠI HỌC Y - DƯỢ CBỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC

---------------------

GIÁO TRÌNH

VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC

THÁI NGUYÊN - 2014

www.daykemquynhon.ucoz.com



2

TR ƯỜ NG ĐẠI HỌC Y - DƯỢ CBỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC

---------------------

GIÁO TRÌNHVẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC

(Dành cho Sinh viên Đại h ọc chính quy ngành: Bác s ỹ đ a khoa,Y h ọc d ự phòng, R ăng hàm m ặt, C ử nhân đ i ều d ưỡ ng)

Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện (Chủ biên)Ths. Nguyễn Quang ĐôngThs. Nguyễn Xuân Hòa

Th ư ký biên so ạn: Ths. Nguy ễ n Quang Đông

THÁI NGUYÊN - 2014




3

GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC

Chủ biên: TS. Bùi Văn Thiện

Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện

ThS. Nguyễn Quang Đông

ThS. Nguyễn Xuân Hòa

ThS. Vũ Thị Thúy

Thư ký biên soạn: ThS. Nguyễn Quang Đông




4

LỜ I NÓI ĐẦ U

V ật lý học là một ngành khoa học t ự nhiên nghiên cứ u nhữ ng tính chấ t, quy

luật cơ bản và khái quát nhấ t của thế giớ i vật chấ t. Nhữ ng thành t ự u của vật lý đượ c

ứ ng d ụng r ộng rãi trong nhiề u l ĩ nh vự c, đặc biệt trong Y học, nhữ ng ứ ng d ụng của

V ật lý học như : Điện tim, đ iện tâm đồ , đ iện não đồ , đ iề u tr ị bằ ng nhiệt, bằ ng t ừ

tr ườ ng, ứ ng d ụng của âm và siêu âm, chụ p X quang, sợ i quang học trong mổ nội

soi, ứ ng d ụng của phóng xạ , chụ p hình cắ t l ớ p vi tính, chụ p cộng hưở ng t ừ hạt

nhân, mắ t và các d ụng cụ quang học, ứ ng d ụng của ánh sáng trong đ iề u tr ị , nhữ ng

ứ ng d ụng của laser ... đ ã làm cho ngành Y có một sự phát triể n vượ t bậc, giúp các

thầ y thuố c chẩ n đ oán chính xác và đ iề u tr ị có hiệu quả cao.

Giảng d ạ y môn V ật lý - Lý sinh y học nhằ m trang bị cho sinh viên ngành Y

nhữ ng kiế n thứ c vật lý cơ bản nhấ t liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dượ c, rèn

luyện cho sinh viên phươ ng pháp t ư duy khoa học, k ế t hợ p giữ a lý thuyế t vớ i thự c

tiễ n, đồng thờ i giúp họ có thể học các môn học khác như : Sinh, Hoá, Hoá - Lý, V ật

lý tr ị liệu - phục hồi chứ c năng, Chẩ n đ oán hình ảnh, y học hạt nhân,… và các môn

học khác có liên quan.

Giáo trình này đượ c biên soạn theo chươ ng trình đ ào t ạo mớ i xây d ự ng của

tr ườ ng Đại học Y Dượ c - Đại học Thái Nguyên. Do đố i t ượ ng đ ào t ạo chủ yế u là sinh viên miề n núi, nên khả năng tiế p thu kiế n thứ c vật lý có nhiề u hạn chế . Vì vậ y

việc biên soạn một giáo trình V ật lý - Lý sinh y học vừ a đảm bảo tính cơ bản và hệ

thố ng kiế n thứ c, phù hợ p vớ i chươ ng trình khung của Bộ , vừ a phù hợ p vớ i đố i t ượ ng

đ ào t ạo theo tín chỉ là một việc làm cần thiế t.

Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế ,

chắ c chắ n không tránh khỏi thiế u sót. Chúng tôi r ấ t mong nhận đượ c sự góp ý của các

đồng nghiệ p và các em sinh viên để giáo trình ngày càng đượ c hoàn chỉ nh hơ n. Xin chân thành cảm ơ n!

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 2 n ăm 2014

BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC




5

MỤC LỤC

PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠ NG ..................................................................................................................................8

Phần thứ nhất: CƠ HỌC...................................................................................................................................................9

CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠ NG ............................................................................................................................9

Chươ ng 1: DAOĐỘNG VÀ SÓNG.....................................................................................................................................................................................................12

1.1. Chuyển động dao động.................................................................................................................................12

1.2. Chuyển động sóng.............................................................................................................................................14

1.3. Sóng âm.......................................................................................................................................................................16

1.4. Hiệu ứng Doppler và ứng dụng............................................................................................................22

Chươ ng 2: CƠ HỌC CHẤT LƯ U...........................................................................................................................................................................................................25

2.1. Đặc điểm của chất lưu...................................................................................................................................25

2.2. T ĩ nh học chất lưu ...............................................................................................................................................25

2.3. Động lực học chất lưu lý tưở ng ...........................................................................................................27

2.4. Hiện tượ ng nhớ t và ứng dụng ..............................................................................................................29

Phần thứ hai: NHIỆT HỌC ........................................................................................................................................31

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN.......................................................................................................................................31

Chươ ng 3: CÁCĐỊNH LUẬT THỰ C NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ...............................................................................34

3.1. Thuyết động học chất khí và khí lý tưở ng .................................................................................343.2. Phươ ng trình tr ạng thái của khí lý tưở ng ....................................................................................36

Chươ ng 4: CHẤT LỎNG............................................................................................................................................................................................................................................38

4.1. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng ....................................................................38

4.2. Các hiện tượ ng mặt ngoài của chất lỏng .....................................................................................39

4.3. Hiện tượ ng mao dẫn ........................................................................................................................................45

4.4. Hiện tượ ng sôi, hiện tượ ng bay hơ i..................................................................................................49

Phần th

ứ ba:

ĐIỆ

N TỪ .....................................................................................................................................................................................................................................................51

Chươ ng 5: TĨNHĐIỆN....................................................................................................................................................................................................................................................51

5.1. Khái niệm mở đầu .............................................................................................................................................51

5.2. Định luật culông (coulomb).....................................................................................................................52

5.3. Điện tr ườ ng của các điện tích điểm .................................................................................................54

5.4. Điện thế, hiệu điện thế ..................................................................................................................................56

i www.daykemquynhon.ucoz.com



6

Chươ ng 6: DÒNGĐIỆN KHÔNGĐỔI.....................................................................................................................................................................................52

6.1. Những khái niệm mở đầu ..........................................................................................................................52

6.2. Những đại lượ ng đặc tr ưng của dòng điện ...............................................................................53

Chươ ng 7: TỪ TR ƯỜ NG DÒNGĐIỆN KHÔNGĐỔI.........................................................................................................................56

7.1. Thí nghiệm về tươ ng tác từ của dòng điện ...............................................................................56

7.2. Định luật ampe (amper) về tươ ng tác từ của dòng điện...............................................57

7.3. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cườ ng độ từ tr ườ ng........................................................................58

Chươ ng 8: CẢMỨ NGĐIỆN TỪ ..............................................................................................................................................................................................................63

8.1. Thí nghiệm về hiện tượ ng cảm ứng điện từ.............................................................................63

8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ ...................................................................................64

8.3. Một số tr ườ ng hợ p đặc biệt của cảm ứng điện từ...............................................................66

Phần thứ tư : QUANG HỌC .......................................................................................................................................68Chươ ng 9: CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC. DỤNG CỤ QUANG HỌC............................................68

9.1. Các định luật cơ bản của quang hình học ..................................................................................68

9.2. Dụng cụ quang học ..........................................................................................................................................72

Chươ ng 10: BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG......................................................................................................................................................................83

10.1. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng .................................................................. 83

10.2. Hiện tượ ng giao thoa ánh sáng .........................................................................................................86

10.3. Hiện tượ ng nhiễu xạ ánh sáng ...........................................................................................................9310.4. Hiện tượ ng phân cực ánh sáng ..........................................................................................................98

10.5. Thuyết lượ ng tử về bản chất của ánh sáng ............................................................................99

Phần thứ năm: VẬT LÝ HẠT NHÂN..........................................................................................................105

Chươ ng 11: PHÓNG XẠ HẠT NHÂN ........................................................................................................105

11.1. Hiện tượ ng phóng xạ.........................................................................................................................................................................................................105

11.2. Tươ ng tác của bức xạ ion hoá vớ i vật chất ..................................................................................................................115

11.3. Sự hấ p thụ năng lượ ng bức xạ - liều lượ ng bức xạ ....................................................125

PHẦN: LÝ SINH Y HỌC...........................................................................................................................................137

Chươ ng 12: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆTĐỘNG VÀỨ NG DỤNG TRONG Y HỌC.......138

12.1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học..........................138

12.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học .............................141

iiwww.daykemquynhon.ucoz.com



7

Chươ ng 13: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT..............................................145

13.1. Các hiện tượ ng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật..............145

13.2. Sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào ................................................................152

Chươ ng 14: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP............................................................................................165

14.1. Lý sinh tuần hoàn ....................................................................................................................................... 165

14.2. Lý sinh hô hấ p ............................................................................................................................................... 177

Chươ ng 15:Ứ NG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC.................................184

15.1. Ứ ng dụng của sóng âm.......................................................................................................................... 184

15.2. Ứ ng dụng của siêu âm ...........................................................................................................................192

Chươ ng 16: CÁC HIỆN TƯỢ NGĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG...............................................................................198

16.1. Hiện tượ ng điện sinh vật - cơ chế phát sinh và lan truyền................................198

16.2. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến cơ ......................................20516.3. Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều tr ị ...................................214

Chươ ng 17: QUANG SINH HỌC........................................................................................................................................................................................................219

17.1. Cơ chế hấ p thụ ánh sáng và phát sáng....................................................................................219

17.2. Ứ ng dụng quang phổ hấ p thụ phân tử ....................................................................................222

17.3. Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống .................................................................................228

17.4. Mắt và dụng cụ bổ tr ợ ............................................................................................................................232

17.5. Laser và ứng dụng trong y học ......................................................................................................245Chươ ng 18: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN.....................................................................................................................................255

18.1. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá .......................................................................................255

18.2. Ứ ng dụng của tia phóng xạ trong y học và an toàn phóng xạ .........................258

Chươ ng 19: BỨ C XẠ R Ơ NGHEN (TIA X) VÀ Ứ NG DỤNG..........................................264

19.1. Hiện tượ ng bức xạ tia x và ứng dụng trong y học ......................................................264

19.2. K ỹ thuật chụ p cắt lớ p vi tính và ứng dụng ......................................................................... 269

Chươ ng 20: PHƯƠ NG PHÁP CỘNG HƯỞ NG TỪ HẠT NHÂN............................................................................274

20.1. C¬ së vËt lý cña ph− ¬ng ph¸p céng h− ëng tõ h¹t nh©n..........................................274

20.2. Chôp ¶nh c¾t líp céng h− ëng tõ h¹t nh©n ........................................................................... 280

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................................................................................................................................................285

iii www.daykemquynhon.ucoz.com



8

PHẦNVẬT LÝ ĐẠI CƯƠ NG




9

Phần thứ nhất: CƠ HỌC

CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠ NG

1.1. Chuyển động cơ học

Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo

thờ i gian.

1.2. Chất điểm

Là một vật có khối lượ ng nhưng có kích thướ c nhỏ không đáng k ể so vớ i

những khoảng cách mà ta đang khảo sát.

Một tậ p hợ p chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tậ p hợ p của

vô số chất điểm).

Chất điểm có tính tươ ng đối.Ví dụ: Electron chuyển động trên qu ĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay

xung quanh Mặt Tr ờ i đượ c coi là chất điểm.

1.3. Hệ qui chiếu

Vật đượ c chọn làm mốc, cùng vớ i hệ toạ độ và

một chiếc đồng hồ gắn liền vớ i nó, để xác định vị trí

của vật khác, gọi là hệ qui chiếu.

1.4. Phươ ng trình chuyển động của chất điểm

Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M

tại một thờ i điểm nào đó đượ c xác định bở i 3 toạ độ x,

y, z hoặc bở i bán kính véc tơ r

, đều là những hàm của

thờ i gian.

x = x(t); y = y(t); z = z(t)

r = r(t)

Các phươ ng trình trên gọi là các phươ ng trình chuyển động của chất điểm.

1.5. Quỹ dạo chuyển độngQuỹ đạo chuyển động là đườ ng mà chất điểm vạch ra trong không gian khi

chuyển động.

Muốn xác định đượ c dạng quỹ đạo, ta phải tìm phươ ng trình quỹ đạo.

Phươ ng trình quỹ đạo là phươ ng trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ.

Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol)

M(x, y, z)

z

y

x




10

1.6. Tính chất tươ ng đối của chuyển động

Chuyển động có tính tươ ng đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể

coi là đứng yên hay chuyển động.

Ví dụ: Một ngườ i đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so vớ i

cột cây số bên đườ ng.1.7. Đơ n vị đo lườ ng

Mỗi một thuộc tính của một đối tượ ng vật lý đượ c đặc tr ưng bở i một hay

nhiều đại lượ ng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lườ ng

các đại lượ ng vật lý. Ngườ i ta phải chọn một đại lượ ng làm mẫu gọi là đơ n vị.

Từ năm 1965 ngườ i ta đã chọn hệ đo lườ ng quốc tế SI (System International

- Hệ quốc tế).

Bảng 1.1. Bảy đại lượ ng vật lý cơ bản trong hệ SI

Tên đại lượ ng Ký hiệu Tên đơ n vị Ký hiệu đơ n vị

Chiều dài L met m

Khối lượ ng M kilogam kg

Thờ i gian T giây s

Cườ ng độ dòng điện I ampe A

Cườ ng độ sáng J candela Cd

Nhiệt độ θ Kelvin K

Lượ ng vật chất N mol Mol

Muốn biểu diễn những số r ất nhỏ hay r ất lớ n, ngườ i ta dùng luỹ thừa 10.

Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9m

Bảng 1.2

Thừ a số Tên tiền tố Ký hiệu Thừ a số Tên tiền tố Ký hiệu

1012 Tera T 10-1 dexi D

109 Giga G 10-2 centi C

106 Mega M 10-3 mili M

103 Kilo K 10-6 micro μ

102 Hecto H 10-9 nano N

101 Deca D 10-12 pico P




11

1.8. Thứ nguyên

Thứ nguyên của một đại lượ ng vật lí là công thức nêu lên sự phụ thuộc của

đại lượ ng đó vào các đại lượ ng cơ bản.

Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài/ Thờ i gian

Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LT-1

Đơ n vị của vận tốc là: m/s.

Nhờ khái niệm thứ nguyên ta có thể kiểm nghiệm lại độ đúng đắn của một

công thức vật lý vì hai vế của một công thức vật lý phải có thứ nguyên như nhau.

Ví dụ: Công thức chu k ỳ của con lắc: T =l

2πg

.

Thứ nguyên của hai vế là: T =-2

L

L.T

= T.

Như vậy về mặt thứ nguyên công thức trên là hợ p lý.

1.9. Các đại lượ ng vật lý

Mỗi thuộc tính của một đối tượ ng vật lý (Một vật thể, một hiện tượ ng, một

quá trình ...) đượ c đặc tr ưng bở i một hay nhiều đại lượ ng vật lý.

Ví d ụ: Khối lượ ng, thờ i gian, thể tích, lực, năng lượ ng ...

Các đại lượ ng vật lí có thể là vô hướ ng hay đại lượ ng véc tơ (hữu hướ ng).

1.9.1. Xácđị nh m

ộtđại l ượ

ng vô h ướ

ng Ngh ĩ a là xác định giá tr ị của nó, có những đại lượ ng vô hướ ng không âm

như: Thể tích, khối lượ ng... , có những đại lượ ng vô hướ ng mà giá tr ị có thể âm hay

dươ ng, ví dụ như: điện tích, hiệu điện thế...

1.9.2. Xác đị nh m ột đại l ượ ng véc t ơ

Ngh ĩ a là xác định điểm đặt, phươ ng, chiều, và độ lớ n của véc tơ đặc tr ưng

cho đại lượ ng đó. Ví dụ: lực F

, cườ ng độ điện tr ườ ng E

...




12

Chươ ng 1

DAO ĐỘNG VÀ SÓNG

1.1. CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG

1.1.1. Dao dộng là gì?

Chuyển động dao động là sự chuyển động lặ p đi lặ p lại vị trí cân bằng sau

những khoảng thờ i gian nhất định.

+ Ví d ụ:

- Dao động của lò xo:

Ở tr ạng thái cân bằng: hlF

= 0. Dùng ngoại lực kéo lò xo lệch khỏi vị trí cân

bằng một đoạn x r ồi thả ra, vật nặng chuyển động về vị trí cân bằng O do tác dụng

của một lực đàn hồi dhF

. Lực đàn hồi bằng nhưng ngượ c chiều vớ i ngoại lực.

dhF .xk = −

(1.1)

Dấu (-) do lực đàn hồi luôn ngượ c chiều vớ i vectơ dịch chuyển x

k: hệ số đàn hồi của lò xo. Phụ thuộc bản chất của lò xo

Đến vị trí cân bằng dhF = 0. Nhưng do quán tính, vật tiế p tục chuyển động

sang trái một đoạn đúng bằng x (nếu bỏ qua ma sát của không khí).

Lúc đó lại xuất hiện lực đàn hồi do lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua

vị trí cân bằng r ồi sang phải.

Quá trình cứ lặ p lại như vậy nhiều lần sau từng khoảng thờ i gian bằng nhau.

Ngườ i ta gọi chuyển động đó là chuyển động

dao động.

- Con l ắ c đơ n

Lấy một sợ i dây mảnh, không co giãn,

chiều dài l. Một đầu dây buộc vào vật nặngkhối lượ ng m, đầu kia buộc vào bản cố định.

Ta có một con lắc đơ n.

Thoạt đầu dướ i tác dụng của tr ọng lực

P

con lắc đứng yên.

Hình 1.1




13

Tác dụng một ngoại lực làm cho con lắc lệch ra khỏi phươ ng thẳng đứng một

góc lệch α . Sau đó thôi tác dụng ngoại lực.

Ở vị trí mớ i, tr ọng lực P của vật nặng đượ c phân chia ra 2 thành phần:

P = P

t + P n (1.2)P t: theo phươ ng kéo dài của dây treo

P n: có tác dụng kéo con lắc về vị trí cân bằng

Ở vị trí cần bằng P n=0. Nhưng do còn quán tính nó lại tiế p tục sang trái (giả

thiết như ban đầu bài toán đề ra: dây treo mảnh, góc α nhỏ, bỏ qua ma sát của

không khí). Con lắc lệch sang trái một góc đúng bằng α và lúc đó P n lại xuất hiện

kéo vật về vị trí cân bằng. Cứ như vậy chuyển động của con lắc lặ p đi lặ p lại sau

những khoảng thờ i gian như nhau.

Lực P n là lực gây ra chuyển động dao động:

Pn = P.sin α (1.3)

Vì α nhỏ ⇒ sinα ≈ α . Ta có:

Pn = P. α (1.4)

Pn gọi là lực chuẩn đàn hồi

1.1.2 Phươ ng trình dao động điều hoàTrong 2 ví dụ trên nếu không có ma sát của môi tr ườ ng thì độ dịch chuyển x

và góc lệch α về 2 phía đối vớ i vị trí cân bằng là bằng nhau. Dao động sẽ thực hiện

trong một thờ i gian dài.

Nếu ly độ x của dao động biến đổi điều hòa thì dao động gọi là dao động

điều hoà. Trong dao động này độ lệch cực đại (hay biên độ) không đổi theo thờ i

gian. Ngượ c lại nếu có ma sát của môi tr ườ ng, độ lệch cực đại (hay biên độ) sẽ giảm

dần, sau một thờ i gian sẽ ngừng chuyển động. Ta gọi là dao động tắt dần.

* Thi ế t l ập ph ươ ng trình

Ta lấy ví dụ về dao động của lò xo để thiết lậ p phươ ng trình dao động điều hoà.

Lực đàn hồi gây ra gia tốc cho chuyển động dao động. Theo định luật Hooke:

dhF = -k. x (1.5)




14

Theo định luật Niutơ n II:

am.F = . Ta có:2

2

d xa

dt= =>

2

2

dt

xdm.F =

Hay: F = m.

..x

⇒: -k.x = m...x

m...x + k.x = 0 (1.6)

Đây là phươ ng trình vi phân cấ p hai có vế phải bằng 0.

Vì m > 0 nên ta có thể chia cho m:

k x .x 0

m

. .+ = Đặt 2k

ω

m

=

Ta có: 0.2..

=+ x x ω (1.7)

Giải ra ta đượ c 2 nghiệm

x1 = a.cos( αω.t + ) (1.8)

x2 = a.sin( α'ω.t + ) (1.9)

Trong đó: a, α ,α ' là những hằng số phụ thuộc vào điều điện ban đầu của bài toán.

x: ly độ dao động

a: ly độ dao động cực đại hay biên độ của dao động.

a = xmax ứng vớ i cos( αω.t + ) = ± 1

( αω.t + ): là một góc, gọi là pha của dao động

ω : tần số góc (tốc độ góc của vectơ biên độ dao động)

m

K ω 2 = ;

T

2.πω =

t: Thờ i gian dao động.

T: Chu k ỳ dao động. Là thờ i gian để dao động thực hiện một dao động toàn phần.

α : là góc, là pha đầu của dao động, ứng vớ i t = 0

1.2. CHUYỂN ĐỘNG SÓNG

1.2.1. Định ngh ĩ a

Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi tr ườ ng đàn hồi

(môi tr ườ ng có liên k ết giữa các phần tử).




15

1.2.2. Sự truyền sóng

Giả sử có một môi tr ườ ng đàn hồi các phân tử liên k ết vớ i nhau bằng những

lực đàn hồi (môi tr ườ ng r ắn, lỏng, khí).

Do ngoại lực tác dụng, các phân tử này r ờ i khỏi vị trí cân bằng và bắt đầu

dao động. Các dao động này do các liên k ết phân tử, đượ c lan truyền sang các phântử xung quanh. Như vậy khi có sóng truyền qua trong môi tr ườ ng các vùng dãn, nén

liên tiế p tuần hoàn trong không gian và theo thờ i gian.

1.2.3. Các loại sóng

Khi truyền trong môi tr ườ ng đồng nhất và đẳng hướ ng, dao động sẽ lan

truyền về mọi phía vớ i vận tốc như nhau. Để đơ n giản ta chọn một phươ ng nào đó,

gọi là phươ ng truyền sóng.

Nếu phươ ng truyền sóng mà các phần tử của môi tr ườ ng dao động vuông góc vớ i

phươ ng truyền sóng, gọi là sóng ngang. Ví dụ: sóng ánh sáng, sóng trên mặt nướ c ...

Nếu các phần tử của môi tr ườ ng dao động song song vớ i phươ ng truyền sóng thì

đó là sóng dọc. Ví dụ: sóng di chuyển của lò xo khi co dãn, sóng âm trong không khí.

1.2.4. Các thông số cơ bản

1.2.4.1. B ướ c sóng ( λ )

Là khoảng cách ngắn nhất giữa các phân tử của môi tr ườ ng dao động đồng

pha hoặc là quãng đườ ng sóng truyền đi đượ c trong một chu kì.

VD: Khoảng cách từ A → E ( Hình 1.3).

Đơ n vị đo: m, cm, μm , nm.

1.2.4.2. Chu k ỳ dao động (T)

Thờ i gian cần thiết để một điểm của môi tr ườ ng thực hiện một dao động

toàn phần.

1.2.4.3. V ận t ố c truy ền sóng (c)

Quãng đườ ng truyền sóng truyền đượ c trong một đơ n vị thờ i gian. Đơ n vị

đo: m/s.

Chú ý: Vận tốc dao động của phân tử khác vận tốc lan truyền sóng.

Phươ ng truyềnSóng dọc

Phươ ng dao động

Sóng ngang

Phươ ng dao động Phươ ng truyền

Hình 1.2




16

1.2.4.4. T ần s ố (f)

Là số lần dao động trong một giây.

f =T

1 (1.10)

Đơ n vị đo: Hezt (Hz): 1 Hz = 1/s

1.2.4.5. T ần s ố góc ( )ω

ν π ..2T

2πω == (1.11)

Đơ n vị đo: rad/s

1.3. SÓNG ÂM

1.3.1. Định ngh ĩ a

Sóng âm là những dao động truyền trong các môi tr ườ ng vật chất đàn hồi

(r ắn, lỏng, khí). Sóng âm không truyền trong chân không.

1.3.2. Phân loại

Tiêu chuẩn để phân loại sóng âm là tần số.

Vớ i tần số 0 →16 Hz: Vùng hạ âm; sóng đàn hồi gây ra do động đất, bão

truyền trong nướ c biển …Vớ i tần số 16 Hz →20 KHz: Tai ngườ i bình thườ ng nghe đượ c.

Vớ i tần số 20KHz → 109 Hz: siêu âm, tai ngườ i không nghe đượ c (một số

loài vật như dơ i, chó có thể nghe đượ c ).

Vớ i tần số 109Hz → 1013 Hz: siêu siêu âm. 1013Hz là giớ i hạn trên vì bướ c

sóng ở tần số này vào khoảng chiều dài khoảng cách giữa các phân tử chất r ắn.

1.3.3. Các đặc trư ng vật lý

- Sóng âm có mang năng lượ ng. Năng lượ ng sóng âm gồm động năng dao

động và thế năng đàn hồi của các phần tử môi tr ườ ng.

- Cườ ng độ âm (I): đượ c tính là năng lượ ng siêu âm truyền qua một đơ n vị

dịên tích đặt thẳng góc vớ i phươ ng truyền sóng trong một đơ n vị thờ i gian.

Đơ n vị đo của cườ ng độ âm là: W/m2.

- Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào mật độ môi tr ườ ng và tính chất đàn hồi

của môi tr ườ ng. Trong quá trình truyền âm, cườ ng độ âm càng đi xa nguồn càng

giảm mau vì các lí do sau:

Tần số (Hz)0 16 20.103 109

Hạ âm Âm ngheđược

Siêuâm

1013

Siêu siêuâm

Hình 1.3




17

+ Các phần tử của môi tr ườ ng dao động, ma sát vớ i môi tr ườ ng do đó có một

phần năng lượ ng dao động phải dùng để thắng ma sát và biến thành nhiệt năng làm

nóng môi tr ườ ng.

+ Âm trong khi truyền gặ p mặt phân cách 2 môi tr ườ ng cũng phản xạ, khúc

xạ, nhiễu xạ tươ ng tự ánh sáng. Chính hiện tượ ng phản xạ làm giảm r ất nhiều cườ ngđộ sóng âm đi tớ i.

- Mức cườ ng độ âm:

0

lg I

L I

= (1.12)

Trong đó: I là cườ ng độ âm tại điểm đang xét. I0 là cườ ng độ âm chuẩn

Đơ n vị: Ben (B). Ngoài ra hay dùng đơ n vị dexiben dB: 1B = 10dB

- Phổ của âm: Là tổng hợ p dao động của các thành phần âm (Có dạng tuần

hoàn chứ không điều hòa).

1.3.4. Các đặc trư ng sinh lý của âm

1.3.4.1. Độ cao c ủa âm

Cảm giác về độ cao của âm là do tần số của âm quyết định. Những dao động

âm có tần số cao cho ta cảm giác thanh (trong). Những âm có tần số thấ p cho ta cảm

giác tr ầm (đục). Tai ngườ i chỉ nghe đượ c những âm thanh có tần số từ 16 đến

20.000 Hz, nhưng giớ i hạn này cũng tuỳ theo lứa tuổi, ngườ i già chỉ nghe đượ c

những âm có tần số dướ i 6.000 Hz. Một số súc vật có khả năng nghe đượ c nhữngâm có tần số cao hơ n hoặc thấ p hơ n phạm vi nghe của ngườ i về tần số. Tuy nhiên

ngườ i bình thườ ng chỉ phân biệt đượ c độ cao của âm trong phạm vi (40 - 4.000) Hz,

âm tần số cao hơ n chỉ cho cảm giác rít, chính vì vậy các nhạc cụ thườ ng đượ c tạo ra

để phát các âm thanh có tần số trong khoảng đó. Để phân biệt đượ c độ cao của âm,

thờ i gian âm tác động lên cơ quan thính giác ít nhất phải từ 100

1 đến

40

1s.

Chẳng hạn vớ i âm có tần số 40 Hz, gây nên cảm giác ở tai ta. Như thế âm

này thực hiện đượ c 40 × 401 = 1 dao động toàn phần. Nếu âm có tần số 6000 Hz thì

trong thờ i gian ấy âm đã thực hiện 150 dao động toàn phần. Từ k ết quả này có thể

suy ra: Ngưỡ ng của cảm giác độ cao là một dao động toàn phần của âm. Điều này

cũng dễ dàng hiểu đượ c một dao động mà chưa thực hiện đầy đủ một dao động toàn

phần thì không thể xác định chu k ỳ hay tần số của nó.




18

Ngoài ra, ngườ i ta thấy độ cao phụ thuộc phần nào vào cườ ng độ âm. Trong

một mức độ nhất định âm thấy như cao lên khi cườ ng độ tăng và tr ầm xuống khi

cườ ng độ giảm. Điều này có lẽ là k ết quả của sự thay đổi đặc tính đàn hồi của màng

nh ĩ do cườ ng độ âm tác dụng lên màng.

Sóng siêu âm có tần số lớ n hơ n 20.000 Hz, không gây cảm giác âm thanh

cho ngườ i.

1.3.4.2. Âm s ắc

Những âm phát ra từ âm thoa cho ta một cảm giác đơ n giản, chúng ứng vớ i

những dao động hình sin. Gọi p0 là biên độ áp suất âm gây tại màng nh ĩ , t là thờ i

gian, f là tần số âm thì p là áp suất âm thoa gây tại màng nh ĩ có thể biểu diễn bằng

phươ ng trình :

p = p0 sin 2π ft (1.13) Đại đa số các âm là những âm phức tạ p, gây cho ta những cảm giác phong

phú hơ n. Chẳng hạn như âm của các dụng cụ âm nhạc, âm do ngườ i phát ra. Dùng

thiết bị phân tích âm có nhiều bộ phận cộng hưở ng âm khác nhau có thể phân tích

âm phức tạ p ra thành nhiều âm đơ n giản gọi là phổ điều hoà; đặc biệt có thể phân

tích âm phức tạ p thành âm đơ n giản mà tần số của chúng là bội số nguyên của âm

đơ n giản có tấn số nhỏ nhất.

a

b c

dt

x

Hình 1.4

Trên hình (1.4) trình bày một dạng âm phức tạ p (a) và các thành phần phân

tích của nó (b), (c), (d). Âm có tần số nhỏ nhất gọi là âm cơ bản, các âm khác gọi là

họa âm.




19

Tai ta nhận đượ c hai âm cùng độ cao của hai loại nhạc cụ khác nhau mà phân

biệt đượ c là vì mỗi mỗi âm đó đã gây cho chúng ta cảm giác âm nhạc khác nhau.

Như vậy mỗi âm có một bản sắc riêng biệt hay nói khác đi mỗi âm có một âm sắc

riêng biệt. Về phươ ng diện vật lý hai âm phức tạ p khác nhau mà có cùng tần số thì

khác nhau bở i thành phần dao động điều hoà hình sin đã tạo nên chúng; vì vậy âm

sắc đượ c đặc tr ưng bằng thành phần dao động điều hoà hình sin. Nếu như thực hiện

vẽ đồ thị các dao động âm, ta thấy ngay âm sắc còn đặc tr ưng bằng dạng đồ thị dao

động, chẳng hạn trên hình (1.5) trình bày đồ thị dao động của hai nốt nhạc cùng độ

cao của đàn piano (a) và kèn clarinet (b).

0 . 0 1 s

a

b

Hình 1.5

Sự phân tích âm về độ cao và âm sắc, theo thuyết của Helmholtz, liên quan chặtchẽ vớ i những đặc tính của những sợ i đàn hồi của màng nh ĩ (chiều dài, chiều dầy và

mức độ căng). Khi tác dụng lên màng nh ĩ , dao động âm cơ bản hay phức tạ p gây nên ở

màng những dao động cộng hưở ng của những sợ i xác định mà tần số riêng của chúng

tươ ng ứng vớ i tần số phổ điều hoà của dao động âm. Khi ấy những xung động thần

kinh xuất hiện trong những tế bào sợ i tươ ng ứng sẽ đi vào phần trung ươ ng của cơ

quan phân tích âm và do đó gây nên cảm giác về độ cao và âm sắc.

Những nghiên cứu hiện đại khẳng định r ằng những dao động âm khác nhau

về tần số đượ c tiế p nhận bằng những phần khác nhau của màng nh ĩ giống như thuyết của Helmholtz. Tuy nhiên điều này không phải chỉ coi như những dao động

cộng hưở ng của các sợ i dây của màng, mà là k ết quả tác dụng đồng thờ i của nhiều

dao động xuất hiện ở limphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi những phần xác định

của màng. Hiện tượ ng này đượ c coi là khâu đầu tiên của quá trình sinh lý thụ cảm

âm phức tạ p.




20

1.3.4.3. Độ to

Độ to của âm là đặc tr ưng cảm giác về sự mạnh hay yếu của dao động âm

đượ c cảm nhận bở i tai ta. Hiển nhiên r ằng tại một tần số nhất định của dao động âm,

âm có cườ ng độ càng lớ n sẽ gây nên cảm giác âm thanh “càng to” đối vớ i tai và

ngượ c lại. Ngườ i ta thấy r ằng một âm có cườ ng độ I khi thay đổi một lượ ng ΔI đủ để con ngườ i nhận thức đượ c r ằng âm đó có thay đổi về độ to, cần phải có:

I

IΔ > 0,1 (1.14)

Đây chính là biểu thức thể hiện ngưỡ ng của cảm giác thay đổi độ to.

Những âm có tần số khác nhau tuy có cùng cườ ng độ nhưng lại gây nên những

cảm giác to nhỏ khác nhau, điều đó cho ta thấy độ nhạy cảm hay độ “thính” của tai

phụ thuộc vào tần số âm. Từ đó ngườ i ta xây dựng nên khái niệm “độ to” (loudness)

của âm. Thực tế cho ta biết tai thính nhất đối vớ i những âm có tần số trong khoảng từ

1000Hz đến 5000Hz. Trong khoảng này có thể nghe đượ c những âm có cườ ng độ

vào khoảng 10-11 W/m2, ở cườ ng độ âm ấy, các phân tử khí dao động vớ i biên độ

khoảng 10-5 μm và tạo nên áp suất ở màng nh ĩ vào khoảng 10-5 N/m2.

Những âm có cườ ng độ quá nhỏ thì tai không nhận thấy đượ c. Nếu ta tăng

dần cườ ng độ âm lên, đến một lúc mà bắt đầu từ đó tr ở đi tai bắt đầu đau chói; nếu

tăng cườ ng độ âm lên cao hơ n nữa có thể gây nên sự phá hoại cơ quan thính giác.

Nói khác đi, ở mỗi tần số âm, tồn tại ngưỡ ng cảm nhận đượ c và ngưỡ ng gây đau

tai. Ta có hai định ngh ĩ a sau:

- Cườ ng độ âm nhỏ nhất đủ gây nên cảm giác âm ở tai gọi là giớ i hạn nghe

hay ngưỡ ng nghe.

- Cườ ng độ âm lớ n nhất mà nếu vượ t quá cườ ng độ đó sẽ gây nên cảm giác

đau tai gọi là ngưỡ ng chói.

Đối vớ i mỗi ngườ i thì ngưỡ ng nghe, ngưỡ ng chói có giá tr ị riêng, tuy nhiên

nhìn tổng quát thì gần nhau. Đối vớ i tất cả mọi ngườ i ngưỡ ng nghe và ngưỡ ng chói

phụ thuộc vào tần số âm. Đối vớ i một ngườ i “trung bình” (theo thống kê) thì tại tầnsố 1000 Hz, ngưỡ ng nghe là 10-12 W/m2, ngưỡ ng chói là 1 W/m2.

- Đơ n vị phon cho độ to của âm

Ta biết r ằng khi cườ ng độ âm thay đổi thì cảm giác về độ to cũng thay đổi

theo. Định luật Weber - Fechner áp dụng cho quan hệ giữa cảm giác thay đổi độ to

và cườ ng độ âm như sau:




21

Sự biến thiên độ to của âm tỷ lệ vớ i logarit của tỷ số cườ ng độ hai dao động

âm đã gây ra cảm giác âm.

Tại một tần số âm xác định, gọi L1, L2 tươ ng ứng là độ to gây ra do âm có

cườ ng độ I1, I2 (tính bằng W/m2). Theo định luật trên thì:

L2− L1 = k lg 1

2

I I (1.15)

Trong đó hệ số tỷ lệ k phụ thuộc vào việc đặt đơ n vị cho độ to và ngoài ra

cần ghi nhớ r ằng k biến thiên theo tần số âm. Như ta đã biết độ to là một đại lượ ng

hoàn toàn chủ quan, do đó ngườ i ta qui ướ c.

- Cườ ng độ ngưỡ ng nghe tại tần số 1000 Hz; I0 =10-12 W/m2 (hay là 0 decibel)

gây nên cảm giác độ to là L0= 0 phon.

- Cườ ng độ ngưỡ ng chói tại tần số này I = 1W/m2 (hay là 120 decibel)

tươ ng ứng gây nên cảm giác độ to là L = 120 phon (ngh ĩ a là k = 10).

Qua thực nghiệm trên r ất nhiều ngườ i, các nhà khoa học đã xây dựng đượ c

hệ các đườ ng cong biểu diễn sự phụ thuộc độ to của âm vào cườ ng độ và vào tần số

của âm. Trên hình 1.6 biểu diễn hệ các đườ ng cong độ to 0; 10; 20;… 120 phon đối

vớ i một ngườ i “trung bình”. Trên đồ thị này, tr ục tọa độ có tr ục tung là cườ ng độ

âm đo bằng decibel, trên tr ục hoành ghi tần số âm đo bằng Hz nhưng đây là tr ục

logarith của tần số âm (nhằm thu gọn dải âm tần r ất r ộng).

Tất cả các điểm nằm trên mỗi đườ ng cong tươ ng ứng vớ i các cườ ng độ âm

và tần số âm khác nhau nhưng đều gây nên độ to như nhau đối vớ i tai.

Đườ ng thấ p nhất tươ ng ứng L0=0 phon là ngưỡ ng nghe, đườ ng cao nhất tươ ng

ứng L=120 phon là ngưỡ ng chói; giữa hai đườ ng đó là miền nghe. Một âm nào đó có

các thông số nằm dướ i miền nghe sẽ không nghe thấy đượ c. Qua đồ thị ta có thể nhận

thấy tai “thính” nhất đối vớ i các tần số trong khoảng từ 1000 Hz đến 2500 Hz.

Hình 1.6

Đ ộ

t o c ủ a â m (

p h o n )

C ư ờ n g đ ộ

â m

đ o b ằ

n g d e c i b e l




22

Chú ý: Do cách ta qui ướ c đơ n vị độ to nên tại tần số 1000 Hz, giá tr ị của

cườ ng độ âm đo bằng decibel luôn luôn bằng giá tr ị độ to của âm đo bằng phon, tại

các tần số khác hiển nhiên hai giá tr ị này không giống nhau. Vì vậy ta cần tránh

nhầm lẫn hai đại lượ ng hoàn toàn khác nhau này. Để minh hoạ cho đồ thị hệ các

đườ ng cong này, ta xét ví dụ: điểm có toạ độ (76 db; 60 Hz) thuộc đườ ng cong 60

phon, điều đó có ngh ĩ a là âm có tần số 60 Hz và cườ ng độ 76 decibel gây nên cảm

giác độ to là 60 phon (cũng như âm có cườ ng độ 60 decibel và tần số 1000 Hz)

B ảng 4.2 . Độ to của một số âm đ iể n hình

Loại âm thanh Cườ ng độ âm (μW/cm2) Độ to (phon)

Ngưỡ ng nghe 10-10 0

Tiếng tim đậ p (nghe tr ực tiế p) 10-9 10

Nói thầm 10-6

40 Nói to 10-4 60

Radio mở to trong phòng 10-2 80

Động cơ môtô 1 100

Ngưỡ ng chói 102 120

Mức gây chết vì âm 108 180

1.4. HIỆU Ứ NG DOPPLER VÀ Ứ NG DỤNG

1.4.1. Hiệu ứ ng Doppler là gì?Khi nguồn phát và nguồn thu sóng âm đứng yên tươ ng đối vớ i nhau thì khi

nguồn phát phát ra tần số ν , nguồn thu nhận đượ c sóng âm cũng vớ i tần số ν .

Những khi nguồn phát thu chuyển động tươ ng đối vớ i nhau thì tần số phát thu sẽ

khác nhau. Ta thấy rõ điều đó.

Khi đứng yên (nguồn thu) ta nghe thấy tiếng ô tô lại gần vớ i tần số cao dần

lên và khi ô tô đi xa thì tần số lại thấ p dần đi (nghe như tr ầm xuống).

V ậ y hiệu ứ ng Doppler là hiệu ứ ng l ệch t ần số giữ a nguồn phát và nguồn thu

thu đượ c khi chúng chuyể n động t ươ ng đố i vớ i nhau.1.4.2. Giải thích

Gọi u là vận tốc chuyển động của nguồn âm A, u' là vận tốc chuyển động của

máy thu B và v là vận tốc truyền âm (v chỉ phụ thuộc môi tr ườ ng truyền âm mà

không phụ thuộc sự chuyển động của nguồn âm). Ta quy ướ c r ằng, nếu nguồn âm đi

tớ i gần máy thu thì u > 0, đi xa máy thu u < 0, nếu máy thu đi tớ i gần nguồn âm thì




23

u' > 0, đi xa nguồn âm thì u' < 0. Ngoài ra, ta nhận xét thêm r ằng tần số ν của âm do

nguồn phát ra, về tr ị số bằng số sóng âm đã truyền đi trong một đơ n vị thờ i gian.

Thực vậy, ta có:1 v v

T vTν = = =

λ

Tỷ số νλ

biểu diễn số sóng âm truyền đi trong một đơ n vị thờ i gian. Vì vậy,

muốn tính tần số của âm do máy thu nhận đượ c, ta chỉ việc tính số sóng âm mà máy thu

đã nhận đượ c trong một đơ n vị thờ i gian.

Xét tr ườ ng hợ p t ổ ng quát: Nguồn âm và máy đều chuyển động (u ≠ 0, u' ≠ 0).

Giả sử nguồn âm và máy thu đi tớ i gặ p nhau (u > 0, u' > 0) (hình 1.7). Vì máy thu đi

tớ i gần nguồn âm nên có thể coi như vận tốc truyền âm v đượ c tăng thêm một lượ ng

u' và bằng v' = v + u'.

Hình 1.7

Như ta đã biết, vận tốc âm v chỉ phụ thuộc môi tr ườ ng truyền âm mà không

phụ thuộc sự chuyển động của nguồn âm, nên khi nguồn âm chuyển động thì v

không thay đổi, mà chỉ có bướ c sóng λ của âm phát ra bị thay đổi. Thực vậy, ta biếtr ằng sóng âm có tính chất tuần hoàn trong không gian vớ i chu k ỳ tươ ng ứng vớ i

bướ c sóng λ. Ngh ĩ a là hai sóng liên tiế p phát ra cách nhau một khoảng thờ i gian

bằng chu k ỳ T thì sẽ cách nhau một đoạn λ = vT. Nếu nguồn âm A đứng yên thì sau

một khoảng thờ i gian bằng chu k ỳ T sóng a đo nguồn phát ra truyền đi đượ c một

đoạn λ= v.T. Vậy sóng b do nguồn A vừa phát ra, phải cách sóng a một đoạn bằng

bướ c sóng λ đó. Nhưng do nguồn A chuyển động vớ i vận tốc u nên trong khoảng

thờ i gian T này, nguồn A đã dờ i chuyển đượ c một đoạn bằng uT, và trong tr ườ ng

hợ p nguồn A đi tớ i gặ p máy thu B (u > 0) thì sóng b vừa phát ra phải cách sóng a

một đoạn:

λ' = λ - uT (1.16)

Do đó có thể coi bướ c sóng của âm do nguồn A phát ra đã bị giảm bớ t một

lượ ng uT và tr ở thành λ'.

A Bu 0> u ' 0>

v




24

Cuối cùng, ta tính đượ c tần số của âm mà máy thu đã nhận đượ c trong

tr ườ ng hợ p nguồn âm và máy thu đi tớ i gặ p nhau:

v' v u ''

' uT

+ν = =

λ λ −

Nhưng λ = vT và 1T

= ν

Vậyv u '

' .v u

+ν = ν

− (1.17)

Công thức (1.17) chứng tỏ r ằng trong tr ườ ng hợ p nguồn âm và máy thu chạ y

l ại g ặ p nhau thì tần số của âm mà máy thu nhận đượ c sẽ lớ n hơ n tần số của âm do

nguồn phát ra (ν' > ν). Nói cách khác, âm mà máy thu nhận đượ c sẽ cao hơ n âm do

nguồn phát ra.

Còn nế u nguồn âm và máy thu đ i xa nhau u < 0, u' < 0 thì theo công thức (9-33)

ta sẽ có ν' < ν, nghĩ a là âm mà máy thu nhận đượ c, sẽ thấ p hơ n do nguồn phát ra.

Ta có thể lấy thí dụ. Khi hai xe ô tô chạy lại gặ p nhau, một xe bấm còi

(nguồn chuyển động), một xe không bấm còi. Ngườ i ngồi trên xe thứ hai (máy thu

chuyển động) nghe tiếng còi, phát ra từ xe thứ nhất, cao hơ n mức thườ ng. Khi hai

xe vừa qua khỏi để đi ra xa nhau thì ngườ i ngồi trên xe thứ hai nghe thấy tiếng còi

thấ p hẳn xuống.

1.4.3. Ứ ng dụng

Hiệu ứng Doppler dùng để xác định tốc độ chuyển động của các vật khi xác

định đượ c độ dịch chuyển tần số Δf . Nguồn phát đứng yên, phát ra tần số f 0, gặ p

đối tượ ng chuyển động phản xạ lại vớ i tần số f.

Lúc sóng âm quay về nguồn phát lại đóng vai trò máy thu. Trong máy siêu

âm Doppler ngườ i ta dùng đầu dò (phát - thu).

Trong thực tế ngườ i ta dùng để đo tốc độ tàu hoả, ô tô đang chạy.

Trong Y học đo sự co bóp của cơ tim, đo tốc độ di chuyển của hồng cầu, lưu

lượ ng máu, chẩn đoán các bệnh về tuần hoàn máu.




25

Chươ ng 2

CƠ HỌC CHẤT LƯ U

2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẤT LƯ U

Chất lưu bao gồm các chất lỏng và các chất khí. Về mặt cơ học, một chất lưu

có thể quan niệm là một môi tr ườ ng liên tục tạo thành bở i các chất điểm liên k ết vớ i

nhau bằng những nội lực tươ ng tác (nói chung đó là lực hút)

Các ch ấ t l ư u có nh ữ ng tính ch ấ t t ổ ng quát sau:

1. Không có hình dạng nhất định.

2. Các chất lưu bao gồm các chất lưu dễ nén (chất khí) và các chất lưu khó

nén (chất lỏng).

3. Khi chất lưu chuyển động các lớ p chất của nó chuyển động vớ i những vậntốc khác nhau, nên giữa các lớ p chất này xuất hiện lực nội ma sát.

Chất lưu lí tưở ng là chất lưu đượ c coi không chịu nén. Nó không có lực nhớ t.

Một chất lưu không lý tưở ng gọi là chất lưu thực.

Theo định ngh ĩ a trên, mọi chất lưu đều là chất lưu thực. Tuy nhiên một chất

lưu r ất linh động (không nhớ t) có thể tạm gọi là chất lưu lý tưở ng.

Ngoài ra, theo trên lực nội ma sát chỉ xuất hiện trong chất lưu chuyển động.

Vậy một chất lưu ở tr ạng thái nằm yên có gắn đầy đủ tính chất của một chất lưu lý

tưở ng. Trong chươ ng này chủ yếu chúng ta nghiên cứu các định luật chuyển động

của chất lỏng.

2.2. TĨNH HỌC CHẤT LƯ U

2.2.1. Áp suất

Xét trong lòng chất lỏng một khối chất lỏng nằm

trong mặt kín S, gọi dS là một diện tích vi phân bao

quanh một điểm M bất k ỳ của S.

Thực nghiệm chứng tỏ r ằng phần chất lỏng ở ngoàimặt kín S tác dụng lên dS một lực dF

gọi là áp lực (lực nén).

Trong tr ườ ng hợ p chất lỏng nằm yên, áp lực d F

vuông góc vớ i dS.

Ta có thể định ngh ĩ a áp suất tại điểm M trong chất lỏng là:

dFP =

dS (2.1)

Hình 2.1




26

Thực nghiệm cũng chững tỏ r ằng vớ i một chất lỏng lý tưở ng áp suất P tại

điểm M là một đại lượ ng xác định (chỉ phụ thuộc

vào vị trí điểm M, không phụ thuộc vào hướ ng của

d F

). Biểu hiện cụ thể của áp suất là khi nhúng một

tấm mỏng vào trong một chất lỏng thì trên bề mặt

của vật ấy xuất hiện các lực nén (áp lực) do chất

lỏng tác dụng, có độ lớ n như nhau và vuông góc

vớ i bề mặt tấm mỏng, bất k ể tấm mỏng định hướ ng như thế nào.

Đơ n vị đo: N/m2 (gọi là Pascan)

1pa = 1N/m2

1 atm = 1,013.105 pa

1 atm = 760 mmHg1 at = 9,81.104 pa

2.2.2. Áp suất thuỷ t ĩ nh

Giả sử có một khối chất lỏng không chịu nén và ở

tr ạng thái t ĩ nh (đứng yên). Hãy xét một điện tích S nằm

ngang ở độ sâu h trong chất lỏng (hình 2.3)

Nếu không k ể đến áp lực của khí quyển trên mặt

thoáng thì lực tác dụng lên diện tích S bằng tr ọng lượ ngcủa cột chất lỏng ngay phía trên S.

F = P = m.g = V.D.g = S.h.D.g (2.2)

Trong đó: V = S.h (thể tích của cột chất lỏng)

D: Khối lượ ng riêng của chất lỏng

g: Gia tốc tr ọng tr ườ ng

Áp suất thuỷ t ĩ nh: Ptt =S

F= D.g.h (2.3)

Nếu áp suất của khí quyển trên mặt thoáng chất lỏng là P0 thì áp suất toàn

phần tác dụng lên diện tích S ở độ sâu h là:

P = P0 + D.g.h (2.4)

Chú ý: Hai điểm trong chất lỏng trên cùng một mặt phẳng ngang (cùng độ

sâu) thì áp suất tươ ng ứng như nhau.

Hình 2.2

Hình 2.3




27

2.3. ĐỘNG LỰ C HỌC CHẤT LƯ U LÝ TƯỞ NG

2.3.1. Khái niệm về sự chuyển động của chất lỏng

2.3.1.1. Đườ ng dòng

Xét một khối chất lỏng chuyển động, mỗi

phần tử chất lỏng có một vận tốc riêng đượ c đặc tr-

ưng bở i một vectơ v

.

Toàn bộ khối lượ ng chất lỏng gồm tậ p hợ p vô

số các vectơ v

. Đó là một tr ườ ng vectơ vận tốc. Nếu

trong tr ườ ng vectơ vận tốc có một đườ ng cong mà tiế p tuyến của đườ ng cong này

tại bất k ỳ một điểm nào trên đườ ng cong đều trùng vớ i vectơ vận tốc v

của chất

lỏng thì đườ ng cong đó gọi là đườ ng dòng.

2.3.1.2. Ống dòng

Tậ p hợ p nhiều đườ ng dòng tựa trên một đườ ng cong kín gọi là một ống dòng.

Khái niệm về đườ ng dòng và ống dòng chỉ là những hình ảnh để mô tả sự

chuyển động của chất lỏng.

2.3.1.3. Ch ế độ ch ảy d ừ ng

Trong sự chảy của chất lỏng nói chung vận

tốc của mỗi phân tử ở tại mỗi điểm (mỗi vị trí) tại

các thờ i điểm khác nhau là khác nhau. Nhưngcũng có tr ườ ng hợ p vận tốc chuyển động của các

phân tử chất lỏng tại một vị trí xác định ở các thờ i

điểm khác nhau lại bằng nhau. Ngh ĩ a là bất k ỳ phân tử chất lỏng nào ở tại mọi thờ i

điểm đi qua một vị trí xác định tuỳ chọn đều có cùng một vận tốc chuyển động.

Tr ườ ng hợ p đó ngườ i ta nói chất lỏng ở tr ạng thái chảy dừng và chế độ chảy của

chất lỏng như vậy gọi là chế độ chảy dừng.

Ví dụ: Có một khối chất lỏng lý tưở ng, tách một ống dòng để khảo sát. Tại vị trí (1)và (2) có tiết diện S1, S2; chất lỏng có vận tốc 1v

, 2v

. Chất lỏng ở tr ạng thái chảy dừng.

2.3.2. Lư u lượ ng của chất lỏng

Là thể tích chất lỏng chảy qua một tiết diện nào đấy

trong một đơ n vị thờ i gian. Ký hiệu là: L

Hình 2.4

Hình 2.5

Hình 2.6




28

Lưu lượ ng trung bình:

ΔVL

Δt= (2.5)

Sau khoảng thờ i gian Δ t, có thể tích Δ V của chất lỏng chảy qua tiết diện Δ S.

Nếu chất lỏng ở tr ạng thái chảy dừng thì lưu lượ ng trung bình đúng bằng lưulượ ng tức thờ i. Gọi tắt là lưu lượ ng.

Gọi v là độ lớ n của vận tốc chảy của chất lỏng khi đi qua tiết diện Δ S. Ta có:

ΔV ΔS.h ΔS.v.ΔtL = = =

Δt Δt Δt

L = ΔS.v ( ΔV = ΔS.v.Δt ) (2.6)

Lưu lượ ng của chất lỏng qua tiết diện Δ S bằng tích số giữa diện tích Δ S ấy

vớ i độ lớ n của vận tốc chảy v của chất lỏng khi đi qua diện tích ấy.

2.3.3. Định lý về sự liên tục của dòng

Giả sử có một khối chất lỏng lý tưở ng ở tr ạng thái chảy dừng

Ta tưở ng tượ ng tách riêng một ống dòng chứa chất lỏng để khảo sát sự

chuyển động của chất lỏng qua phần giớ i hạn giữa vị trí (1) và (2)

- Ở vị trí 1 của ống dòng chất lỏng có vận tốc 1v

, tiết diện của ống là Δ S1.

- Ở vị trí 2 vận tốc chất lỏng là 2v

, tiết diện ống là Δ S2

Sau khoảng thờ i gian Δt chất lỏng chảy

qua Δ S1 là Δ V1 và qua Δ S2 là Δ V2.

Vì chất lỏng đang xét là chất lỏng lý

tưở ng ở tr ạng thái chảy dừng cho nên có bao

nhiêu chất lỏng chảy qua Δ S1 cũng có bấy

nhiêu chất lỏng chảy qua Δ S2.

Tức là: Δ V1 = Δ V2

Δ S1.v1. Δ t = Δ S2.v2. Δ t

Δ S1.v1 = Δ S2.v2

Hay L1 = L2

Nếu xét ở các vị trí trung gian bất k ỳ khác nữa trên ống dòng ta có:

Δ S1.v1 = Δ S2.v2 = Δ S3.v3 = ... = Δ Snvn

L1 = L2 = L3 = ... = Ln = const (2.7)

Hình 2.7




29

Định lý: V ớ i ch ấ t l ỏng lý t ưở ng ở tr ạng thái ch ảy d ừ ng thì l ư u l ượ ng c ủa

nó ở m ọi th ờ i đ i ể m trên ố ng dòng làb ằng nhau vàb ằng m ột h ằng s ố .

Trên thực tế chỗ ống nào có diện tích bé (hẹ p) nướ c chảy xiết, chỗ nào có

diện tích lớ n, nướ c chảy từ từ. Tức là khi Δ S nhỏ thì v lớ n và ngượ c lại.

2.4. HIỆN TƯỢ NG NHỚ T VÀ Ứ NG DỤNG

Khi chất lỏng chảy vớ i vận tốc nhỏ, nó sẽ

chảy thành lớ p. Giả sử có một dòng chất lỏng chảy

theo một hướ ng xác định Ox.

Mỗi lớ p chất lỏng có tốc độ lần lượ t là v1,

v2, v3,...,vn (các hạt chất lỏng trong cùng một lớ p

có vận tốc như nhau).

Do ma sát, các lớ p tác dụng lên nhau. Lớ p

có v lớ n hơ n có xu hướ ng kép lớ p có v nhỏ. Ngượ c lại, lớ p chuyển động chậm chậm

kìm hãm lớ p chuyển động nhanh. Xuất hiện lực ma sát nội (lực nhớ t) Fms

Độ lớ n của lực nội ma sát giữa hai lớ p thứ j và j ở một nhiệt độ nhất định sẽ phải:

- Tỷ lệ thuận vớ i dS là phần diện tích tiế p xúc giữa hai lớ p i và j

- Tỷ lệ thuận vớ i dv = vi - v j. Trong đó vi, v j là vận tốc thứ i và j.

- Tỷ lệ nghịch vớ i khoảng cách giữa hai lớ p (dz)

- Tuỳ thuộc vào bản chất của chất lỏng đượ c đặc tr ưng bằng hằng số tỷ lệ.

Gọi là hệ số nhớ t của chất lỏng η (eta).

Theo Niutơ n:

.dSdz

dvηFms = (2.8)

:dz

dv gọi là gradiêng vận tốc. Cho thấy mức độ thay đổi của vận tốc khi đi từ

lớ p này qua lớ p khác.

Nếu dS = 1 đơ n vị diện tích và 1dz

dv= Thì Fms = η

Ý nghĩ a vật lý của η : hệ số nhớ t của chất lỏng chính bằng lực ma sát nội

xuất hiện giữa hai lớ p chất lỏng có diện tích là 1 đơ n vị và gradien vận tốc của

chúng bằng 1.

Hình 2.8




30

Lúc đó hệ số nhớ t η chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và nhiệt độ

của chất lỏng. η 200

C là một hằng số vật lý cùng vớ i các hằng số vật lý khác dùng để

định tính các chất..

Chú ý: hệ số nhớ t phụ thuộc vào nhiệt độ là vì lực nội ma sát gây ra do các

phân tử chất lỏng chuyển động tươ ng đối vớ i nhau. Khi nhiệt độ thay đổi thì tr ạng

thái chuyển động của các phân tử cũng thay đổi. Hệ số nhớ t đượ c xác định bằng

thực nghiệm, có ý ngh ĩ a trong y học. Chẳng hạn xác định hệ số nhớ t của máu, huyết

thanh cho ta biết tình tr ạng bệnh lý của cơ thể.

Đơ n vị của η : N.s/m2 hay kg/m.s, gọi là poadơ i

Bảng 2.1: Hệ số nhớ t của một số chất ở 200C

Tên chất η (N.S/m2) η / η 0

Nướ c 0,01 1

R ượ u êtylic 0,012 1,2

Glycerin 8,5 850

Máu ngườ i 0,038 - 0,045 3,8 - 4,5

Hệ số nhớ t của máu phụ thuộc vào cả huyết thanh và hồng cầu. Theo Anhstanh,

hệ số nhớ t của một dung dịch chứa những hạt r ất nhỏ phụ thuộc vào hệ số η của

riêng chất lỏng và thể tích V của tất cả các hạt trong 1cm3 dung dịch.

Như vậy lượ ng hồng cầu ảnh hưở ng r ất nhiều đến η của máu. Ngườ i thiếu

máu và ngườ i bình thườ ng có hệ số η khác nhau.

Ngoài ra hệ số η cũng cho ta biết tình tr ạng của cơ thể. Bình thườ ng η của

huyết thanh từ 1,64 - 1,69 ở 200C. Khi ốm có thể từ 1,5 - 3. Do tỷ lệ và chất lượ ng

của các albumin trong huyết thanh thay đổi.




31

Phần thứ hai: NHIỆT HỌC

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1. Đối tượ ng

Trong phần cơ học ta đã nghiên cứu dạng chuyển động cơ , đó là sự thay đổi

vị trí của các vật v ĩ mô trong không gian. Khi nghiên cứu chuyển động đó ta chưa

chú ý đến quá trình xảy ra bên trong vật, chưa xét đến những quá trình liên quan

đến cấu tạo của vật.

Thực tế có nhiều hiện tượ ng liên quan đến các quá trình xảy ra bên trong vật. Ví

dụ: vật có thể nóng chảy hoặc bốc hơ i khi bị đun nóng, vật nóng lên khi bị ma sát ...

Những hiện tượ ng này liên quan đến một dạng chuyển động mớ i của vật chất đó là

chuyển động nhiệt. Chuyển động nhiệt chính là đối tượ ng nghiên cứu của nhiệt học.

Để nghiên cứu chuyển động nhiệt ngườ i ta dùng hai phươ ng pháp:

• Phươ ng pháp thố ng kê: Phươ ng pháp này ứng dụng trong phần vật lý phân tử.

Ta biết r ằng các chất cấu tạo bở i nguyên tử, phân tử riêng biệt r ồi dựa vào

các qui luật thống kê để xác định các tính chất của vật. Phươ ng pháp thống kê dựa

trên cấu tạo phân tử của các chất, nó cho biết sâu sắc bản chất của hiện tượ ng. Tuy

nhiên, trong một số tr ườ ng hợ p việc ứng dụng phươ ng pháp này tươ ng đối phức tạ p.• Phươ ng pháp nhiệt động học: Phươ ng pháp này đượ c ứng dụng trong phần

nhiệt động học.

Nhiệt động học là nghành vật lý nghiên cứu điều kiện biến hoá năng lượ ng từ

dạng này sang dạng khác và nghiên cứu những biến đổi đó về mặt định lượ ng.

Phươ ng pháp nhiệt động học dựa trên hai nguyên lý cơ bản rút ra từ thực

nghiệm là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của nhiệt động học. Nhờ các

nguyên lý này không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của các vật ta cũng có thể rút ranhiều k ết luận về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau.

Mặc dù có những hạn chế ở chỗ không giải thích sâu sắc bản chất của hiện

tượ ng nhưng trong nhiều vấn đề thực tế nhiệt động học cho ta cách giải quyết r ất

đơ n giản.




32

2. Một số khái niệm

* Thông s ố tr ạng thái vàph ươ ng trình tr ạng thái

Khi nghiên cứu một vật nếu tính chất của nó thay đổi ta nói tr ạng thái của vật

đã thay đổi. Như vậy các tính chất của một vật biểu hiện tr ạng thái của vật đó và ta

có thể dùng một tậ p hợ p các tính chất để xác định tr ạng của một vật. Mỗi tính chấtthườ ng đượ c biểu hiện bằng một đại lượ ng vật lý và như vậy tr ạng thái của một vật

đượ c xác định bằng một tậ p hợ p xác định các đại lượ ng vật lý. Các đại lượ ng vật lý

này đượ c gọi là thông số tr ạng thái.

Tr ạng thái của một vật đượ c xác định bở i nhiều thông số tr ạng thái. Tuy

nhiên trong đó chỉ có một số thông số độc lậ p, còn lại là các thông số phụ thuộc.

Những hệ thức giữa các thông số tr ạng thái của một vật gọi là những phươ ng trình

tr ạng thái của vật đó.

Để biểu diễn tr ạng thái của một khối khí nhất định, ngườ i ta thườ ng dùng ba

thông số tr ạng thái: thể tích V, áp suất P, nhiệt độ T của khối khí. Thực nghiệm

chứng tỏ r ằng trong ba thông số đó chỉ có hai thông số là độc lậ p, ngh ĩ a là giữa ba

thông số đó có một liên hệ đượ c biểu diễn bở i phươ ng trình tr ạng thái vớ i dạng tổng

quát như sau:

f(p,V,T) = 0

Việc khảo sát dạng cụ thể của phươ ng trình tr ạng thái là một trong những vấn

đề cơ bản của nhiệt động. Sau đây ta hãy xét hai thông số cơ bản áp suất và nhiệt độ.

* Khái ni ệm áp su ấ t vànhi ệt độ

a. Áp suấ t

Áp suất là một đại lượ ng đại lý có giá tr ị bằng lực nén vuông góc lên một

đơ n vị điện tích. Nếu ký hiệu F là lực nén vuông góc lên một diện tích ΔS thì áp

suất p cho bở i:

p =ΔS

F

Trong hệ số SI đơ n vị áp suất là Niutơ n trên mét vuông (N/m2) hay Pascan (pa).

Ngoài ra để đo áp suất ngườ i ta còn dùng các đơ n vị tính sau:

- Atmotphe k ỹ thuật (gọi tắt là atmôphe, ký hiệu at) là áp suất bằng:

9.80665.104 = 9,81.104 N/m2.

- Atmotphe vật lý (ký hiệu atm); 1 atm = 760 mm Hg ≈ 1,013.105 N/m2; 1

atm = 1, 033 at.




33

- Milimet thuỷ ngân (viết tắt mmHg) hay còn gọi là tor bằng áp suất tạo bở i

tr ọng lượ ng cột thuỷ ngân cao 1 mm.

1 at = 736 mmHg = 9,81.104 N/m2

b. Nhiệt độ

Mỗi vật đều có một tính chất gọi là nhiệt độ, khi hai vật cân bằng nhiệt thìnhiệt độ của chúng bằng nhau. Nhiệt độ đặc tr ưng cho mức độ chuyển động hỗn

loạn của phân tử.

Để xác định nhiệt độ ngườ i ta dùng nhiệt k ế. Nguyên tắc của nhiệt k ế là dựa

vào sự biến thiên của một đại lượ ng nào đó (chiều dài, thể tích, độ dẫn điện...) khi

đốt nóng hoặc làm lạnh r ồi suy ra nhiệt độ tươ ng ứng.

Nhiệt k ế thườ ng dùng là nhiệt k ế thuỷ ngân. Trong nhiệt k ế này nhiệt độ

đượ c xác định bở i thể tích một khối thuỷ ngân nhất định.

Để chia độ một nhiệt k ế thuỷ ngân ngườ i ta nhúng nó vào hơ i nướ c đang sôi

ở áp suất 1,033 at (bằng áp suất khí quyển ở điều kiện bình thườ ng) và ghi mức

thuỷ ngân là 100. Sau đó nhúng vào nướ c đá đang tan (cũng ở áp suất 1,033 at) và

ghi mức thuỷ ngân là 0. Đem chia đoạn trên thành 100 phần đều nhau, mỗi độ chia

tươ ng ứng vớ i một độ. Như vậy ta có thang nhiệt độ gọi là thang nhiệt độ bách phân

(hay thang Cenciut, trong thang này nhiệt độ ký hiệu là 0C ).

Ngoài thang bách phân, còn dùng thang nhiệt độ tuyệt đối (còn gọi là thang

nhiệt độ Kenlvin) mỗi độ chia của thang tuyệt đối bằng một độ chia của thang bách

phân, nhưng dộ không của thang tuyệt đối ứng vớ i - 273,160 của thang bách phân.

Trong thang này nhiệt độ đo là Kelvin, ký hiệu là K.

Gọi: T là nhiệt độ trong thang tuyệt đối.

t: là nhiệt độ trong thang bách phân.

Ta có công thức

T = (t + 273,16) K

Trong các tính toán đơ n giản ta thườ ng lấy:

T = (t + 273) K Ngoài ra ngườ i ta còn dùng thang nhiệt độ Farenhai là thang nhiệt độ trong

đó điểm của nướ c đá đang tan đượ c lấy làm nhiệt độ 320 và điểm sôi của nướ c đượ c

lấy làm nhiệt độ 2120. Nhiệt độ xác định theo thang nhiệt độ này gọi là nhiệt độ

Farenhai, kí hiệu là 0F. Như vậy:

n0C = (1,8n + 32) 0F




34

Chươ ng 3

CÁC ĐỊNH LUẬT THỰ C NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ

3.1. THUYẾT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ VÀ KHÍ LÝ TƯỞ NG

Hiện tượ ng nhiệt là hiện tượ ng liên quan chặt chẽ đến chuyển động hỗn loạn

của các phân tử tạo nên vật chất. Khi nghiên cứu vật chất đượ c cấu tạo từ một số r ất lớ n

các phân tử ta không thể áp dụng phươ ng pháp động lực học như trong phần cơ học

đượ c. Vì vậy để nghiên cứu các hiện tượ ng nhiệt ngườ i ta phải dùng một phươ ng pháp

khác. Đó là phươ ng pháp vật lý thống kê. Phươ ng pháp này không xét chuyển động

của từng phân tử riêng r ẽ mà xét chuyển động chung của cả tậ p hợ p phân tử và do đó

các đại lượ ng vật lý phải lấy giá tr ị trung bình đối vớ i tất cả các phân tử.

Tr ướ c tiên ta xét cấu tạo vật chất từ các phân tử, đó là thuyết động học phân tử.

3.1.1. Nội dung thuyết động học phân tử

- Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số r ất lớ n các phân tử.

- Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Khi chuyển động chúng

va chạm vào nhau và truyền năng lượ ng cho nhau.

- Cườ ng độ chuyển động của các phân tử liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ.

Cườ ng độ phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao. Nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ vớ i

động năng trung bình của phân tử.

3.1.2. Lượ ng chất và mol

Mol là lượ ng chất chứa 6,023.1023

hạt (nguyên tử, phân tử, ion), đựơ c gọi làsố Avogađrô. Ký hiệu là NA.

NA = 6,023.1023 mol-1

Chú ý r ằng mọi chất khí ở cùng nhiệt độ, áp suất và thể tích đều chứa cùng

một số phân tử. Nếu ký hiệu N là số phân tử chứa trong một vật thì số mol n sẽ là:

n =A N

N (3.1)

3.1.3. Khí lý tưở ng. Các định luật thự c nghiệm

Để biểu diễn tr ạng thái vật chất như ta đã biết cần ba thông số chính đó làáp suất, thể tích và nhiệt độ. Các định luật thực nghiệm về chất khí nêu lên mối

liên hệ giữa hai thông số trong 3 thông số trên. Cụ thể ngườ i ta xét các quá trình

biến đổi tr ạng thái của một khối lượ ng khí trong đó một số thông số đượ c giữ

không đổi, cụ thể các quá trình:




35

- Đẳng nhịêt: nhiệt độ không đổi.

- Đẳng áp: áp suất không đổi.

- Đẳng tích: thể tích không đổi.

3.1.3.1. Đị nh lu ật Bôil ơ - Mariôt

Bôilơ (1669) và Mariôt (1676) nghiên cứuquá trình đẳng nhiệt của chất khí, đã tìm ra định

luật sau đây:

Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí,

thể tích tỷ lệ nghịch vớ i áp suất, hay nói cách khác:

tích số của thể tích và áp suất của khối khí là một hằng số

p.V = hằng số (3.2)

Nếu dùng hệ toạ độ OPV thì vớ i một nhiệt độ không đổi, liên hệ giữa áp suất

và thể tích của một khối lượ ng khí nhất định đượ c biểu diễn bằng một hypebôn

vuông (Hình 3.1). Đườ ng hypebôn đó gọi là đườ ng đẳng nhịêt. Ứ ng vớ i các nhiệt

độ khác nhau ta đựơ c các đườ ng khác nhau. Nhiệt độ càng cao các đườ ng đẳng

nhiệt càng xa gốc.

3.1.3.2. Đị nh lu ật Gay-Luytx ắc

Năm 1800, nghiên cứu các quá trình đẳng tích, đẳng áp của các chất khí

Gay- Luytxắc đã tìm ra các định luật sau đây:

- Trong quá trình đẳng tích của một khối khí, áp suất tỷ lệ vớ i nhiệt độ tuyệt đối:

P=const

T (3.3)

- Trong quá trình đẳng áp của một khối khí , thể tích tỷ lệ vớ i nhiệt độ tuyệt đối:

V=const

T (3.4)

Trên đồ thị dùng toạ độ OPT và OVT, đườ ng biểu diễn là những đườ ng

thẳng qua gốc O.

Hình 3.1

P

V2

O T

V1

V

O T

P1

P2

Hình 3.2 Hình 3.3




36

3.1.3.3. Gi ớ i h ạn ứ ng d ụng c ủa các đị nh lu ật th ự c nghi ệm

Các định luật Bôilơ - Mariôt, Gay - Luytxắc chỉ là các định luật gần đúng.

Nếu áp suất chất khí quá lớ n và nhiệt độ quá thấ p tích số P.V và các hằng số hơ i

khác nhau chút ít, chúng thay đổi tuỳ theo chất khí và tuỳ theo nhiệt độ.

Chúng ta gọi khí lý tưở ng là chất khí hoàn toàn tuân theo ba định luật nói

trên. Hay chất khí lý tưở ng là chất khí có thể bỏ qua sự tươ ng tác giữa các phân tử,

nguyên tử.

Nhiều chất khí ở áp suất và nhiệt độ trong phòng có thể coi là khí lý tưở ng

3.2. PHƯƠ NG TRÌNH TR ẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞ NG

3.2.1. Thành lập phươ ng trình trạng thái

Xét một khối lượ ng khí M chuyển từ tr ạng thái I mà qua các thông số là P1,

V1,T1 sang tr ạng thái II có thông số là P1, V2, T2 qua

tr ạng thái trung gian có các thông số P2, V1’, T1 .

Trong quá trình đẳng nhiệt I sang I’. Ta có:

P 11'

12 .VP.V = => V2

11'1 P

.VP=

Trong quá trình đẳng áp từ I’ sang II. Ta có:

2

2

1

'1

T

V

T

V=

=> V2

12'1 T

TV=

Thay V’1 vào ta có:

2

21

2

11

T

.VT

P

.VP=

Do đó:2

22

1

11

T

.VP

T

.VP=

Vậy tỷ số:T

P.V ở tr ạng thái đều bằng nhau và ta viết:

T

P.V = const = B (3.5)

Ta thấy tr ị số B phụ thuộc đơ n vị đo P, V, T và phụ thuộc khối lượ ng khí M

và bản chất khí ta xét.

Hình 3.4




37

Theo định luật Avôgađrô ở áp suất P0 = 1,013.105 N/m2 nhiệt độ T0 = 273,13

K thể tích của kilemol của mọi chất khí đều bằng V ο = 22,4 m3. . Vậy công thức (*)

viết cho 1 kilômol thể tích V0 ta có:

P.V0 = R.T

Trong đó R là hằng số khí đúng vớ i mọi chất khí.

Trong điều kiện cùng áp suất và nhiệt độ, thể tích chất khí tỷ lệ vớ i khối

lượ ng khí. Do đó nếu gọi V là thể tích ứng vớ i khối lượ ng M Kg, V0 là thể tích ứng

vớ i khối lượ ng μ Kg = 1 Kmol thì ta có:

M

V.μV

μ

M

V

V0

0

=⇒=

Ta đượ c dạng khác của phươ ng trình tr ạng thái của khí lý tưở ng:

P.V = .R.TμM (3.6)

3.2.2. Giá trị của hằng số R

Khi nhiệt độ và áp suất ở điều kiện T0 = 273,13 oK; P0 = 1,013.105 N/m2.

Vậy ở tr ạng thái tiêu chuẩn này ta có:

K 273,13

/Kmol N/m.22,4m1,013.10R

T

VP0

35

0

00 ==

=> R = 8,31.103 Jun/kmol.K

R = 0,0848 m3.atm/kmol.K

R = 8,31 Jun/mol. K

R = 0,0848 lit.atm/mol.K




38

Chươ ng 4

CHẤT LỎNG

4.1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

4.1.1. Trạng thái lỏng của các chất

Ngườ i ta thấy lúc nhịêt độ thấ p hơ n nhiệt độ tớ i hạn nào đó, nếu nén mạnh

chất khí, nó sẽ biến sang tr ạng thái lỏng. Thực nghiệm chứng tỏ r ằng nếu tiế p tục

làm lạnh chất lỏng sẽ đông đặc và chuyển sang thể r ắn. Vậy có thể nói tr ạng thái

lỏng là tr ạng thái trung gian giữa tr ạng thái khí và r ắn.

Tuỳ theo nhiệt độ và áp suất, chất lỏng có tính chất gần chất khí và gần chất r ắn.

Ở nhiệt độ gần nhiệt độ tớ i hạn không còn ranh giớ i giữa lỏng và khí nữa.

Ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc, chất lỏng lại có nhiều tính chất tươ ng tự chất r ắn, lúc đó các phân tử lại không hoàn toàn chuyển động hỗn độn mà chúng

sắ p xế p tươ ng đối tươ ng tự, gần giống như các tinh thể chất r ắn. Tuy nhiên ở tr ạng

thái bình thườ ng, chất lỏng có nhiều tính chất khác chất khí và chất r ắn, ví dụ: tính

chảy đượ c, không có hình dạng xác định...

Tính chất hai mặt của chất lỏng liên quan đến câu tạo và chuyển động phân

tử của nó.

4.1.2. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏngTa biết r ằng năng lượ ng chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng vào cỡ

độ sâu của hố thế năng. Như vậy năng lượ ng ứng vớ i một bậc tự do1

.kT2

sẽ bé hơ n

độ sâu của hố, do đó các phân tử chất lỏng không dịch chuyển tự do mà chỉ thực

hiện các dao động quanh vị trí cân bằng. Tuy nhiên giá tr ị 1

.K.T2

không nhỏ hơ n độ

sâu của hố thế năng nhiều quá, vì vậy do thăng giáng động năng phân tử đủ lớ n và

phân tử có thể vượ t qua hố thế năng để di chuyển đến một vị trí cân bằng mớ i. Ngườ i ta nói các phân tử chất lỏng sống đờ i “du mục” sau một thờ i gian “định cư ”

phân tử lại “nhổ lều” đi.

Thờ i gian dao động quanh vị trí cân bằng của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ.

Khi tăng nhiệt độ thờ i gian đó giảm, ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc, thờ i gian đó r ất

lớ n. Nghiên cứu về chuyển động phân tử trong chất lỏng, ngườ i ta dùng công thức:




39

k.T0τ = τ .e

W

(4.1)

Trong đó:

τ : thờ i gian dao động trung bình của phân tử quanh một vị trí cân bằng

K: Hằng số Bônzơ man.

T: nhiệt độ tuyệt đối

0τ : chu k ỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng.

W: năng lượ ng hoạt động của phân tử.

Vớ i nướ c ở nhiệt độ thông thườ ng τ =10-11 giây, trong khi đó 0τ =10-13giây.

Như vậy, cứ dao động khoảng 100 chu k ỳ, phân tử nướ c lại dịch đi chỗ khác.

4.2. CÁC HIỆN TƯỢ NG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

4.2.1. Áp suất phân tử

- Mặt cầu bảo vệ: Trong chất lỏng khoảng cách giữa các phân tử là nhỏ hơ n

so vớ i chất khí, vì vậy lực hút phân tử đóng vai trò đáng k ể. Tuy nhiên lực hút phân

tử giảm nhanh theo khoảng cách, do đó chỉ những phân tử cách nhau một khoảng

nhỏ hơ n 2r vào cỡ 10-9m mớ i tác dụng lên nhau. Nếu từ một phân tử làm tâm, ta vẽ

một mặt cầu bán kính r thì phân tử trên chỉ tươ ng tác vớ i các phân tử nằm trong mặt

cầu đó. Mặt cầu như vậy đượ c gọi là mặt cầu bảo vệ (Hình 4.1).

- Áp suất phân tử : Ở vị trí (1), các phân tử nằm sâu trong lòng chất lỏng,

mặt cầu bảo vệ của chúng nằm hoàn toàn trong chất lỏng, lực tác dụng lên mỗi phân

tử đó về mọi phía bù tr ừ cho nhau. Đối vớ i các phân tử nằm ở vị trí (3), chúng nằm

ở lớ p mặt ngoài (có bề dày nhỏ hơ n 10-9m) thì mặt cầu bảo vệ của chúng không

hoàn toàn nằm trong chất lỏng, có một phần nằm trong không khí, hút các phân tử

này lên phía trên vớ i một lực r ất yếu, không đáng k ể, còn các phân tử chất lỏng ở

Hình 4.1. M ặt cầu bảo vệ




40

dướ i hút các phân tử này vớ i một lực lớ n hơ n, do đó lực tác dụng lên mỗi phân tử

đó không bù tr ừ cho nhau và mỗi phân tử chịu một lực tổng hợ p hướ ng vào trong

chất lỏng. Lực này ép lên phần chất lỏng phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp

suất phân tử. Đối vớ i nướ c áp suất phân tử có giá tr ị đến hàng vạn atmophe.

- Đặc điểm: Mặc dầu áp suất phân tử r ất lớ n nhưng nó không nén đượ c các

phân tử ở phía trong sít nhau lại. Vì khi các phân tử sít lại gần nhau một khoảng

cách nhỏ hơ n r 0 (r 0 là khoảng cách mà tại đó lực hút cân bằng vớ i lực đẩy) thì lúc đó

lực đẩy lại chống lại áp suất phân tử và làm cho các phân tử không sít lại nhau. Do

đó các chất lỏng có tính khó nén.

Cần chú ý r ằng không thể đo đựơ c áp suất phân tử vì nó luôn luôn hướ ng vào

trong lòng chất lỏng, nó không tác dụng lên thành bình và lên những vật nhúng vào

trong chất lỏng.4.2.2. Năng lượ ng mặt ngoài và sứ c căng mặt ngoài của chất lỏng

4.2.2.1. N ăng l ượ ng m ặt ngoài c ủa ch ấ t l ỏng

Lớ p mặt ngoài của chất lỏng có những tính chất khác vớ i phần bên trong

của chất lỏng. Ta biết r ằng các phân tử lớ p ngoài bị các phân tử ở phía trong hút,

vì vậy năng lượ ng của chúng ngoài động năng chuyển động nhiệt còn có thế năng

quy định bở i các lực hút đó. Nếu nhiệt độ đồng đều, thì năng lượ ng trung bình

chuyển động nhiệt của các phân tử mặt ngoài và phía trong giống nhau, còn về thế năng thì khi đem phân tử từ các lớ p trong ra mặt ngoài, ta cần thực hiện một công

chống lại lực hút phân tử công đó cũng làm tăng thế năng phân tử. Do đó các phân

tử ở lớ p mặt ngoài có thế năng lớ n hơ n so vớ i thế năng của các phân tử phía trong.

Như vậy các phân tử mặt ngoài có năng lượ ng tổng cộng lớ n hơ n so vớ i năng

lượ ng của các phân tử phía trong. Phần năng l ượ ng l ớ n hơ n đ ó đựơ c g ọi là năng

l ượ ng mặt ngoài của chấ t l ỏng.

Số phân tử lớ p mặt ngoài càng nhiều thì năng lượ ng mặt ngoài càng lớ n , vì

vậy năng lượ ng mặt ngoài tỷ lệ vớ i diện tích mặt ngoài.

Gọi Δ E và Δ S là năng lượ ng và diện tích mặt ngoài, ta có

Δ E = S Δ.δ (4.2)

δ là một hệ số tỷ lệ phụ thuộc chất lỏng gọi là hệ số sức căng mặt ngoài.

Trong hệ SI đơ n vị của δ là Jun trên met vuông (J/m2 = N/m).




41

Ta biết r ằng một hệ ở tr ạng thái cân bằng bền lúc thế năng cực tiểu, vì vậy

chất lỏng ở tr ạng thái cân bằng bền lúc diện tích mặt ngoài của nó nhỏ nhất. Thông

thườ ng do tác dụng của tr ọng lực nên chất lỏng choán phần dướ i của bình chứa và

mặt ngoài là mặt thoáng nằm ngang nhưng nếu ta khử tác dụng của tr ọng lực, thì

khối chất lỏng sẽ có dạng hình cầu, tức là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất

trong các hình có cùng thể tích.

Thí nghiệm sau đây cho ta thấy điều đó. Bỏ một ít giọt dầu vào trong dung dịch

r ượ u cùng tỷ tr ọng (không hoà tan dầu ); tr ọng lượ ng của các giọt dầu triệt tiêu bở i sức

đẩy Acsimet nên các giọt dầu có dạng những quả cầu lơ lửng trong dung dịch.

Hình 4.2 Nhữ ng giọt d ầu trong dung Hình 4.3 Vòng chỉ d ạng hình tròn

d ịch có d ạng hình cầu

Nếu lấy một khung dây thép nhúng vào nướ c xà phòng ta sẽ đượ c một màng

xà phòng phủ kín khung. Thả vào đó một vòng chỉ r ồi chọc thủng màng xà phòng ở

phía trong vòng chỉ, vòng chỉ sẽ tr ở thành hình tròn. Sở d ĩ như vậy vì do điều kiện

năng lượ ng cực tiểu nên diện tích màng xà phòng còn lại phải nhỏ nhất, tức là diện

tích thủng phải lớ n nhất. Muốn vậy thì diện tích thủng phải là hình tròn, vì trong các

hình cùng chu vi, hình tròn có diện tích lớ n nhất.

4.2.2.2. S ứ c c ăng m ặt ngoài

Các thí nghiệm trên đây chứng tỏ diện tích mặt

ngoài của chất lỏng có khuynh hướ ng tự co lại, vì vậy một

phươ ng diện nào đấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một

màng cao su bị căng. Để giữ nguyên tình tr ạng mặt ngoài

của chất lỏng, ta phải tác dụng lên chu vi mặt ngoài những

lực vuông góc vớ i đườ ng chu vi và tiế p tuyến vớ i mặt

ngoài, lực đó gọi là sức căng mặt ngoài.

N

F

M

xΔ

Hình 4.4

Nước + RượuDầu




42

Để tính giá tr ị s ứ c c ăng m ặt ngoài ng ườ i ta làm thí nghi ệm sau :

Lấy một khung dây thép có cạnh MN chiều dài bằng 1, có thể linh động

đượ c (Hình 4.4).

Nhúng khung vào nướ c xà phòng và lấy ra, ta đựơ c màng xà phòng. Để màng

xà phòng khỏi co lại, cần phải tác dụng lên MN một lực F đúng bằng sức căng mặt

ngoài. Dịch chuyển cạnh MN một đoạnΔ x, diện tích mặt ngoài tăng lên một lượ ng là:

Δ S = 2.l. Δ x

Sở d ĩ có thừa số 2 trong vế phải là vì màng xà phòng có hai mặt ngoài ở hai phía.

Công thực hiện bở i lực F trong dịch chuyển Δ x là:

A = F. Δ x

Công này dùng để làm tăng diện tích mặt ngoài lên Δ S, tức là đã làm tăng

năng lượ ng mặt ngoài lên một lượ ng Δ E. Theo (4.2) ta có:Δ E = Δ A =δ.ΔS

Từ đó ta suy ra:

F = δ.2.l (4.3)

2l chính là chiều dài của đườ ng kính chu vi.

Tr ườ ng hợ p tổng quát, sức căng có thể thay đổi đượ c dọc theo đườ ng chu vi,

lúc đó xét một đoạn Δ l đủ nhỏ của chu vi, ta áp dụng công thức trên:

ΔF = δ.Δl (4.4)Trong đó Δ F là sức căng tác dụng lên đoạn Δ l.

Từ (4.4) ta thấy nếu Δ l bằng một đơ n vị chiều dài thì δ = Δ F. Vì vậy có thể

định ngh ĩ a δ như sau: H ệ s ố s ứ c c ăng m ặt ngoài làm ột đại l ượ ng v ật lý v ề tr ị s ố

b ằng s ứ c c ăng m ặt ngoài tác d ụng lên m ột đơ n v ị chu vi m ặt ngoài.

Trong hệ SI, δ đo bằng đơ n vị Niutơ n/met. Vớ i một chất lỏng cho tr ướ c,

δ phụ thuộc nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì δ giảm.

Bảng sau có giá tr ị sức căng mặt ngoài của một số chất lỏng ở 200C.

Chất lỏng ở 200C δ (N/m)

Nướ c 0,073

Thuỷ ngân 0,540

Ete 0,017




43

Ứ ng dụng của hiện tượ ng:

- Gi ải thích s ự t ạo thành l ớ p b ọt trong ch ấ t l ỏng: Giả sử có một bọt không khí

ở trong chất lỏng, nó sẽ nổi lên mặt. Tớ i mặt chất lỏng, bọt khí sẽ đội một lớ p mỏng

chất lỏng có dạng hình vòm. Nếu bọt không khí đủ nhỏ thì nó không thể xé rách lớ p

mặt ngoài và chịu ở dướ i mặt chất lỏng. Những bọt nhỏ như vậy tạo thành lớ p bọt.

- S ự t ạo thành gi ọt khi ch ấ t l ỏng ch ảy qua m ột l ỗ nh ỏ: Khi chất lỏng chảy

ra khỏi một ống thẳng đứng thì do sức căng mặt ngoài, chất lỏng không thể ngay

một lúc chảy ra khỏi ống. Chất lỏng chảy ra từ từ và phía trên giọt chất lỏng bị thắt

lại. Lúc tr ọng lượ ng giọt chất lỏng thắng sức căng mặt ngoài thì chỗ thắt bị đứt và

tạo thành một giọt nướ c r ơ i xuống. Nếu lỗ rát nhỏ và áp suất chất lỏng không đủ lớ n,

giọt chất lỏng sẽ không chảy ra ngoài đượ c. Thí dụ nướ c mưa không chảy qua đượ c

các lỗ nh

ỏ c

ủa v

ải b

ạt ... Chính

điều

đó trong Y h

ọc ng

ườ i ta có th

ể l

ấy gi

ọt thu

ốc

làm đơ n vị liều.

4.2.3. Hiện tượ ng dính ướ t và không dính ướ t

Thông thườ ng ở điều kiện cân bằng thuỷ t ĩ nh mặt thoáng của chất lỏng là

mặt nằm ngang. Nhưng ở chỗ chất lỏng tiế p xúc vớ i thành bình do ảnh hưở ng của

lực phân tử phía thành bình, mặt thoáng của chất lỏng bị cong đi.

Gọi O là điểm mặt thoáng chạm thành bình, tại vị trí đó không những tồn tại lực

hút phân tử của chất lỏng mà còn có lực hút phân tử của chất r ắn đối vớ i chất lỏng.

4.2.3.1. Hi ện t ượ ng dính ướ t

Gọi F1 là tổng cộng các lực của các phân tử nứơ c tác dụng lên phân tử A nằmsát thành bình.

Gọi F2 là tổng lực các phân tử thành bình tác dụng lên phân tử A.

Tr ườ ng hợ p lực F2 có giá tr ị số lớ n hơ n F1 thì tổng hợ p lực F hướ ng vào

thành bình, chính lực này đã đẩy các phân tử chất lỏng xô vào thành bình tạo thành

mặt cong lõm: chất lỏng làm ướ t bình.

Hình 4.5 Hình 4.6




44

Dạng mặt ngoài của chất lỏng đượ c xác định bở i góc làm ướ t θ . Đó là góc

giữa tiế p tuyến của bề mặt chất lỏng và thành bình tiế p xúc vớ i chất lỏng.

Nếu θ < 900: ta nói chất lỏng làm ướ t vật. Ví dụ: nướ c làm ướ t thuỷ tinh,

giọt dầu loang r ộng trên mặt nướ c...

Nếu θ = 00 ta nói làm ướ t hoàn toàn.

4.2.3.2. Hi ện t ượ ng không dính ướ t

Tr ườ ng hợ p F2 có tr ị số bé hơ n F1 nên tổng hợ p lực F hướ ng vào lòng chất

lỏng, lực này đẩy các phân tử xô vào lòng chất lỏng tạo mặt cong lồi: chất lỏng

không làm ướ t bình.

Trong tr ườ ng hợ p này góc θ > 900. Ví dụ thuỷ ngân trong thuỷ tinh góc θ = 1690.

Nếu θ =180

0

. Chất lỏng không làm ướ t hoàn toàn chất r ắnGóc θ phụ thuộc bản chất các chất tiế p xúc vớ i nhau, phụ thuộc tr ạng thái bề

mặt tiế p xúc chất lỏng.

Hiện tượ ng làm ướ t và không làm ướ t thườ ng hay gặ p trong thực tế: Mực là

ướ t ngòi bút nên mớ i dính vào ngòi bút, nướ c mưa không làm ướ t một số lá cây (lá

mon, lá khoai, sen ...), ứng dụng trong k ỹ thuật tuyển khoáng để làm giàu quặng ...

Hình 4.7

Hình 4.8.Góc làm ướ t θ




45

4.3. HIỆN TƯỢ NG MAO DẪN

4.3.1. Áp suất phụ dướ i mặt khum

Như ta đã biết mặt thoáng chất lỏng do tồn

tại sức căng mặt ngoài nên có thể coi như một

màng đàn hồi, do đó nó có dạng lồi lên hoặc lõm

xuống. Bề mặt cong có xu hướ ng có diện tích tạo ra

một áp suất ΔP phụ thêm vào áp suất phân tử.

Tr ườ ng hợ p bề mặt chất lỏng là mặt thoáng

lồi (chất lỏng không làm ướ t chất r ắn), diện tích

này chịu tác dụng của các lực do các phần mặt

thoáng xung quanh kéo ra, tiế p tuyến mặt, có thể phân tích thành lực nằm ngang và

lực hướ ng xuống dướ i. K ết quả chung là mặt thoáng lồi chịu tác dụng một áp suất phụ P Δ hướ ng xuống phía dướ i.

Tr ườ ng hợ p mặt thoáng lõm, diện tích này chịu tác dụng của các lực do các

phần mặt thoáng xung quanh kéo ra (tiế p tuyến mặt) có thể phân tích thành lực nằm

ngang và lực hướ ng lên trên. K ết quả chung là mặt thoáng lõm chịu tác dụng một áp

suất phụ hướ ng lên trên.

Áp suất phụ P Δ này đượ c tính theo công thức:

2 δΔ P = R (4.5)

Trong đó R là bán kính của mặt cong, δ là hệ số sức căng mặt ngoài,

Công thức có thể chứng minh như sau:

Xét một mặt cong dạng chỏm cầu, đặc tr ưng bằng bán kính cong R và khẩu

kính r (Hình 4.9). Xét một phân tử Δ l trên chu vi C, nó chịu tác dụng của một lực

căng ΔF,ΔF

vuông góc vớ i l Δ và tiế p tuyến vớ i mặt cong.

Từ công thức: F=δ.ΔlΔ . Phân tích ΔF

thành hai lực thành phần: thành phần

nằm ngang 2ΔF

và thành phần thẳng đứng 1ΔF

. Từ hình 1:

1FΔ = FΔ .sinβ và 2ΔF =ΔF.cosβ

Thành phần 1 F Δ gây ra áp suất phụ. Tính sức căng lên chất lỏng bằng tổng

các lực 1 F Δ và có độ lớ n:

Hình 4.9




46

F = 1

r δ.r F ΔF.sinβ δ.Δl. . Δl

R R ∑ Δ = ∑ = ∑ = ∑

Vì r ằng l Δ∑ bằng chu vi vòng tròn C, nên ta có:

F =2δ.r δ.2π.r

.2π.r=

R R

Lực này phân phối đều và ép lên diện tích chỏm cầu là 2.r π , tạo ra áp suất

phụ P Δ . Do đó áp suất phụ P Δ sẽ là:

ΔP =2

2

F 2π.r .δ 2δ= =

S R.π.r R (4.6)

Tr ườ ng hợ p mặt khum lõm:

ΔP =-2.δ

R (4.7)

Hai công thức (4.6) và (4.7) có thể viết chung:

ΔP =2.δ

R (4.8)

Vớ i qui ướ c: R > 0 nếu bán kính mặt cầu hướ ng về phía chất lỏng.

R<0 nếu bán kính mặt cầu hướ ng ra khỏi chất lỏng.

Tr ườ ng hợ p mặt thoáng là mặt phẳng (R = ∞ ) áp suất phụ P Δ =0.

Ý ngh ĩ a c ủa áp su ấ t ph ụ trong s ự ch ảy c ủa ch ấ t l ỏng trong ố ng d ẫ n hình

tr ụ là ở ch ỗ : trong một ống dẫn chất lỏng thực mà có bọt khí, áp suất phụ có thể

làm cho chất lỏng không chảy đượ c. Hiện tượ ng bọt khí cản chuyển động này đượ c

gọi là chuỗi hạt mao quản.

Thật vậy, xét một ống dẫn có bọt khí bên trong ta thấy:

- Nếu chất lỏng đứng yên hai áp suất phụ Δ P1 và Δ P2 hướ ng vào mặt khum

lõm. Nếu ống tr ụ đều thì Δ P1= Δ P2 nhưng ngượ c chiều nhau (Hình 4.10a).

- Nếu chất lỏng chuyển động (từ trái sang phải chẳng hạn) mặt 1 bị bẹt ra,

bán kính cong lớ n lên, do đó: Δ P1 = 1

2δ

R sẽ bé, mặt 2 lõm vào, bán kính cong R 2 bé

đi, do đó Δ P2 =2

2δ

R sẽ lớ n lên. Δ P2 có giá tr ị lớ n hơ n Δ P1 sẽ cản chuyển động của

chất lỏng (Hình 4.10b). Tác dụng cản chuyển động càng tăng khi có một chuỗi bọt

(Hình 4.10c) gọi là chuỗi hạt mao quản hoặc khi có bọt chỗ phân nhánh.




47

Từ đó ta thấy khi có bọt khí lọt vào mạch máu có thể làm ngưng sự tuần

hoàn. Do đó cần chú ý đẩy hết bọt khí tr ướ c khí tiêm thuốc vào t ĩ nh mạch. Thợ lặn

tr ướ c khi lên khỏi mặt nướ c phải cho áp lực khí trong bộ đồ lặn giảm từ từ nếu

không thì khí nitơ tan trong máu thoát ra nhanh làm phổi không k ị p bài tiết sẽ tạo

thành chuỗi hạt mao quản ngăn cản sự tuần hoàn. Những phi công lái máy bay ở

tầng cao của khí quyển nếu buồng lái không kín cũng có thể gặ p tại nạn tươ ng tự

như thợ lặn.

4.3.2. Hiện tượ ng mao dẫn

Nhúng một ống thuỷ tinh có tiết diện nhỏ vào một cốc đựng chất lỏng thì nhận thấy mặt chất

lỏng trong ống thuỷ tinh có thể lõm hoặc lồi, dâng

cao hơ n hay hạ thấ p hơ n so vớ i mực ngoài, đó là

hiện tượ ng mao dẫn.

Do hiện tượ ng dính ướ t và không dính ướ t

bề mặt chất lỏng trong ống bị cong sẽ chịu thêm một áp suất phụ hướ ng lên trên (mặt

lõm xuống) hoặc hướ ng xuống dướ i (mặt lồi lên) làm giảm áp suất khí quyển (hoặc

tăng) trên mặt ống. Do đó chất lỏng phải dâng lên để cho áp suất tại hai điểm có cùng

độ cao phải bằng nhau.

Ta tính độ cao dâng lên hay hạ xuống trong ống. Giả sử chất lỏng làm ướ t chất

r ắn (nướ c và thuỷ tinh), tiết diện cong của mặt thoáng là một chỏm cầu bán kính R.

Gọi h cột chiều cao của chất lỏng trong ống mao dẫn, θ là góc bờ .

Hình 4.10. Ả nh hưở ng của bọt khí Hình 4.11

Hình 4.12






49

Nhiều hiện tượ ng trong đờ i sống k ỹ thuật và tự nhiên đượ c giải thích bằng

hiện tượ ng mao dẫn: bông, bấc đèn, giấy thấm...có khả năng hút các chất lỏng vì

khe hẹ p trong các chất này là các ống mao dẫn. Các chất dinh dưỡ ng nướ c đượ c

chuyển từ dướ i lên trên ở những cây cao vài mét, còn những cây cao hàng chục mét

ngoài hiện tượ ng mao dẫn để dẫn nướ c và các chất dinh dưỡ ng nuôi cây còn có hiện

tượ ng thẩm thấu của các tế bào sống nữa vì sức mao dẫn chỉ đưa nhựa và các chất

khác lên cao đượ c vài met.

4.4. HIỆN TƯỢ NG SÔI, HIỆN TƯỢ NG BAY HƠ I

4.4.1. Hiện tượ ng bay hơ i

Chất lỏng đựng trong bình không kín thườ ng có sự bay hơ i. Đó là hiện tượ ng

chất lỏng biến thành chất hơ i.

Sự bay hơ i xảy ra trong mọi nhiệt độ, nhưng nhiệt độ càng cao thì sự bay hơ ixảy ra càng mạnh.

Điều kiện để có sự bay hơ i: muốn bay hơ i ra khỏi mặt thoáng các phân tử

chất lỏng cần một động năng nào đó để thắng lực hút trong chất lỏng, lực đó gây ra

bở i các phân tử chất lỏng dướ i mặt thoáng.

Gọi A là công giữ các phân tử khỏi bay hơ i thì các phân tử phải có động

năng thoả mãn các điều kiện sau đây:

2

nm.V A2 ≥ (4.11)

Trong đó: m là khối lượ ng phân tử.

Vn là thành phần vận tốc theo phươ ng pháp tuyến vớ i mặt thoáng.

Nhiệt độ của khối chất lỏng càng cao, số phân tử có

vận tốc lớ n càng nhiều, số phân tử thoả mãn điều kiện bay hơ i

tăng lên do đó hiện tượ ng bay hơ i xảy ra mạnh hơ n.

4.4.2. Hiện tượ ng sôi

4.4.2.1. Đị nh ngh ĩ a

Hiện tượ ng sôi là hiện tượ ng bay hơ i không những ở

trên bề mặt mà ngay cả ở trong khối chất lỏng.

4.4.2.2. G i ải thích

Khi ta đun chất lỏng các bọt hơ i xuất hiện ở đáy nồi đun và xung quanh

thành nồi. Bọt hơ i ở trong lòng chất lỏng chịu tác dụng của các áp suất.

--- - - - - - -- - - - - - - -

- - - - - - - h - - --- -- - - - -- - - - - - - - -

- - - - - - -

Hình 4.13




50

- Áp suất trên bề mặt: P0

- Áp suất thuỷ t ĩ nh: Ptt

- Áp suất phụ: P Δ

- Áp suất hơ i bão hoà.

Trong đó áp suất hơ i bão hào trong bọt khí chống lại áp suất nén, áp suấtthuỷ t ĩ nh và áp suất phụ. Điều kiện sôi:

P bh = P0 + Ptt + P Δ

P bh = P0+2δ

ρ.g.h +R

(4.12)

Thông thườ ng áp suất thuỷ t ĩ nh r ất nhỏ so vớ i áp suất nén P0 coi Ptt 0≈ .

Áp suất phụ P Δ =2δ

R , khi nhiệt độ càng tăng bọt hơ i càng lớ n dần, vậy bán

kính R càng tăng, do đó P Δ càng giảm, thông thườ ng P Δ <<P0 có thể bỏ qua đượ c.

Vậy điều kiện sôi: P bh 0P≥

Nhiệt độ khối chất lỏng ứng vớ i điều kiện sôi gọi là nhiệt độ sôi hay điểm sôi.

Đối vớ i mỗi chất lỏng ở điều kiện bình thườ ng điểm sôi là một hằng số. Do

đó nhờ vào tính chất này, ta có thể các định định tính các chất.

4.4.2.3. Nhi ệt l ượ ng sôi r iêng (X s )

Nhiệt lượ ng sôi riêng (Xs) là nhiệt lượ ng cần thiết để biến một khối lượ ng

chất lỏng đã ở nhiệt độ sôi hoàn toàn biến thành hơ i.

Thực nghiệm đã xác nhận:( )

bh S0

s S v l

dP X =

T T . V -V

(4.13)

Trong đó:

T0s: nhiệt độ sôi.

Vh: thể tích riêng của chất ở thể hơ i.

Vl: thể tích riêng của chất ở thể lỏng.

Ta có:( )00

s h ls

bh s

T . V -VdT =

dP X (4.14)

Vì (Vh- Vl) > 0,0s

bh

dT > 0

dP

: hàm đồng biến.

Ứ ng d ụng: Dùng hấ p tiệt trùng: P↑ , do đó T0 ↑ hoặc cô dung dịch ở nhiệt

độ thấ p: P↓ , do đó T0 ↓ .




51

Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ

Chươ ng 5: TĨNH ĐIỆN

5.1. KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

5.1.1. Sự nhiễm điện do cọ sát

Từ thế k ỷ VI tr ướ c công nguyên ngườ i ta đã nhận thấy khi đem cọ sát thuỷ

tinh, êbônit và một số vật khác vào len dạ, thì thuỷ tinh, êbônit... có khả năng hút

các vật nhẹ như giấy vụn, lông chim... Hiện tượ ng đó gọi là hiện tượ ng nhiễm điện

do cọ sát. Thuỷ tinh, êbônit... đượ c gọi là vật nhiễm điện.

Qua sự nhiễm điện do cọ sát ngườ i ta thấy chỉ xuất hiện 2 loại điện tích:

- Loại điện tích xuất hiện giống như ở thuỷ tinh khi cọ sát vào len dạ gọi là

điện tích dươ ng (+).

- Loại điện tích xuất hiện như ở thanh êbônit khi cọ sát vào len dạ gọi là điện

tích âm (-).

Qua thực nghiệm còn thấy các loại điện tích tươ ng tác vớ i nhau: hai điện tích

cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau.

5.1.2. Sơ lượ c về thuyết điện tử

Qua nhiều thí nghiệm các nhà bác học đã đi đến k ết luận:

- Điện tích trên một vật mang điện bất k ỳ có cấu tạo gián đoạn, nó luôn luôn bằng một số nguyên lần của một điện lượ ng nhỏ nhất gọi là điện tích nguyên tố:

điện tích nguyên tố có giá tr ị 0q = 1,6.10-19 C. Các hạt mang điện tích nguyên tố có

electron mang điện tích nguyên tố âm, proton mang điện tích nguyên tố dươ ng.

- Proton và điện tử (electron) đều có trong thành phần cấu tạo nguyên tử

của mọi chất. Proton nằm ở hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh

hạt nhân.

- Ở tr ạng thái bình thườ ng số proton và điện tử của một nguyên tử luôn luôn bằng nhau (bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleep), ta nói

nguyên tử trung hoà về điện. Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất, thu thêm điện tử

sẽ tr ở thành một phần tử mang điện. Nếu mất điện tử nguyên tử sẽ mang điện dươ ng

gọi là ion (+), nếu thu thêm điện tử nguyên tử tr ở thành mang điện âm gọi là ion (-).




52

Học thuyết căn cứ vào chuyển động của điện tử để giải thích các hiện tượ ng

về điện gọi là thuyết điện tử.

5.1.3. Định luật bảo toàn điện tích

Các hiện tượ ng về điện luôn luôn tuân theo định luật bảo toàn điện tích: Các

đ i ện tích không th ể t ự nhiên sinh ra, c ũng không t ự bi ế n m ấ t nó ch ỉ có th ể

truy ền t ừ v ật này sang v ật khác ho ặc ph ần này sang ph ần khác c ủa v ật .

Nói một cách khác: T ổ ng đại s ố các đ i ện tích trong m ột h ệ cô l ập làkhông đổ i.

Thí dụ: Khi cọ sát thuỷ tinh vào len dạ nếu thuỷ tinh mang điện dươ ng thì

điện tử từ thuỷ tinh đã mất đi, có ngh ĩ a là nó phải chuyển sang len dạ, do đó len dạ

phải mang điện âm. Độ lớ n điện tích trên hai vật luôn luôn bằng nhau nếu tr ướ c đó

hai vật đều chưa mang điện.

5.1.4. Vật dẫn điện, vật cách điện

5.1.4.1. V ật d ẫ n đ i ện

Là những vật mà điện tích có thể chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích

của vật. Thí dụ như kim loại, các dung dịch điện phân, chất khí đã bị ion hoá, các cơ

thể sống...

5.1.4.2. V ật cách đ i ện ( đ i ện môi)

Là các vật mà điện tích không thể chuyển động từ điểm này đến điểm kia của

vật (không có điện tích tự do). Thí dụ: Thuỷ tinh, êbônit, cao su, gỗ, không khí khô ...

Chú ý: Sự phân chia ra vật dẫn điện và cách điện chỉ có tính chất quy ướ c.Thực vậy trong những điều kiện nhất định vật nào cũng có thể dẫn điện đượ c, chúng

chỉ khác nhau là độ dẫn điện nhiều hay ít. Khi thay đổi điều kiện thì tính dẫn điện

thay đổi. Thí dụ: thủy tinh ở điều kiện bình thườ ng dẫn điện r ất yếu (không dẫn

điện) nhưng ở nhiệt độ cao có thể dẫn điện.

Ngoài ra có một nhóm chất có tính chất dẫn điện trung gian giữa vật dẫn điện

và điện môi. Đó là các chất bán dẫn.

Trong chươ ng này chỉ nghiên cứu tươ ng tác và tính chất của các điện tích

đứng yên (so vớ i hệ quy chiếu dùng để nghiên cứu điện tích đó).

5.2. ĐỊNH LUẬT CULÔNG (COULOMB)

Như ta đã biết các điện tích tươ ng tác vớ i nhau: cùng dấu thì đẩy nhau, khác

dấu thì hút nhau. Tươ ng tác giữa hai điện tích đứng yên gọi là tươ ng tác t ĩ nh điện

(hay là tươ ng tác Culông).




53

1875 Culông, nhà bác học ngườ i Pháp bằng thực nghiệm đã xác định đượ c

lực tươ ng tác giữa hai điện tích điểm.

5.2.1. Điện tích điểm

Là những vật mang điện có kích thướ c nhỏ không đáng k ể so vớ i khoảng

cách từ điểm đó đến những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta đang khảosát. Như vậy khái niệm điện tích điểm chỉ có tính chất tươ ng đối, tươ ng tự như khái

niệm chất điểm trong cơ học.

5.2.2. Định luật Culông trong chân không

Giả sử có hai điện tích điểm q1, q2 đặt

trong chân không cách nhau một khoảng r.

Định luật Culông phát biểu như sau: Lự c

t ươ ng tác giữ a hai đ iện tích đ iể m có phươ ng

nằ m trên đườ ng thẳ ng nố i hai đ iện tích, có

chiề u: 2 đ iện tích cùng d ấ u thì đẩ y nhau, 2

đ iện tích khác d ấ u hút nhau (Hình 5.1). Có độ l ớ n t ỷ l ệ thuận vớ i tích số độ l ớ n của

hai đ iện tích, t ỷ l ệ nghịch vớ i bình phươ ng khoảng cách giữ a hai đ iện tích đ ó.

Về mặt độ lớ n ta có:

1 221 12 2

q qF = F =K.

r

(5.1)

Trong đó K là hệ số tỷ lệ. Trong hệ SI:

k = 00

1;ε

4πε đượ c gọi là hằng số điện, có giá tr ị: 0ε = 8,86.10-12(N-1.C2m-2)

k= 9.109 (N.C-2m2)

Ta có thể biểu diễn định luật Culông dướ i dạng vectơ như sau:

K ẻ vectơ r

gốc q1 ngọn q2 thì:

1 212 2

0

q q1 r F =

4πε r r

(5.2)

21 12F =-F (5.3)

5.2.3. Định luật Culông trong các môi trườ ng

Thực nghiệm cũng chứng tỏ nếu hai điện tích điểm đặt trong chất điện môi

có cùng khoảng cách như khi chúng đặt trong chân không thì lực tươ ng tác sẽ giảm

đi ε lần.

Hình 5.1




54

Công thức (5.1) sẽ là:

1 212 2

0

q q1 r F =

4πε .ε r r

(5.4)

Trong đó ε đượ c gọi là hằng số điện môi phụ thuộc vào bản chất của điện

môi, nhiệt độ.Thí dụ: Trong chân không ε = 1

Không khí: ε = 1,006 ≈ 1

Nướ c ε = 81

Chú ý: Định luật Culông mớ i chỉ cho ta xét tươ ng tác giữa hai điện tích

điểm. Tuy nhiên nếu áp dụng nguyên lý tổng hợ p lực trong cơ học ta có thể xét

tươ ng tác giữa hai vật mang điện bất k ỳ. Thật vậy:

- Nếu hệ gồm nhiều điện tích điểm q1, q2,... qn phân bố gián đoạn trong

không gian và một điện tích q0 đặt trong không gian đó. Ta xét tươ ng tác từng hệ 2

điện tích q1 và q0; q2 và q0 , ... , qn và q0 ta sẽ có:

10 20 30 n0

n

i0i=1

F=F +F +F +......+F

F= F∑

(5.5)

- Nếu vật mang điện bất k ỳ. Ta có thể chia vật thành vô số phần mang điện

r ất nhỏ hợ p thành, mỗi phần như thế coi như điện tích điểm.

- Dựa vào phươ ng pháp tính toán trên đây ngườ i ta chứng minh đượ c tươ ngtác giữa hai quả cầu mang điện đều có có thể xác định bằng định luật Culông song

phải coi điện tích của mỗi quả cầu như một điện tích điểm nằm ở tâm quả cầu đó.

5.3. ĐIỆN TR ƯỜ NG CỦA CÁC ĐIỆN TÍCH ĐIỂM

5.3.1. Khái niệm về điện trườ ng

Ta đã biết các điện tích tươ ng tác vớ i nhau ngay cả khi chúng đặt trong chân

không. Ở đây có thể đặt ra nhiều câu hỏi: Lực tươ ng tác đó truyền đi như thế nào?

Có cần môi tr ườ ng xung quanh không? Khi chỉ có một điện tích thì môi tr ườ ng

xung quanh có gì thay đổi?

Để tr ả lờ i các câu hỏi trên trong quá trình phát triển của vật lý học đã có hai

giả thuyết đối lậ p nhau: Thuyết tác dụng xa, thuyết tác dụng gần.

Theo thuyết tác dụng xa, điện tích tươ ng tác vớ i nhau không cần một môi

tr ườ ng trung gian mà nó đượ c truyền từ điện tích này đến điện tích kia một cách tức




55

thờ i vớ i vận tốc vô cùng lớ n. Cũng theo thuyết này nếu chỉ có một điện tích thì môi

tr ườ ng xung quanh điện tích đó không biến đổi gì. Thừa nhận thuyết tươ ng tác (tức

là truyền vận động) không cần thông qua vật chất, thuyết tác dụng xa đã thừa nhận

có vận động phi vật chất do đó thuyết này đã bị bác bỏ.

Trái vớ i thuyết tác dụng xa, thuyết tác dụng gần cho r ằng xung quanh mỗiđiện tích có xuất hiện một dạng vật chất “đặc biệt” gọi là điện tr ườ ng. Nhờ điện

tr ườ ng các điện tích mớ i tươ ng tác đượ c vớ i nhau, vận tốc truyền phải là hữu hạn.

Một tính chất cơ bản của điện tr ườ ng là khi đặt một điện tích trong điện tr ườ ng thì

đều bị điện tr ườ ng tác dụng lực.

Khoa học hiện đại đã chứng minh thuyết tác dụng gần là đúng.

Vậy xung quanh điện tích đứng yên xuất hiện một điện tr ườ ng. Điện tr ườ ng

là một dạng của vật chất.

5.3.2. Vectơ cườ ng độ điện trườ ng5.3.2.1. Đị nh ngh ĩ a

Giả sử có một điện tích q0 đặt tại một điểm trong điện tr ườ ng. Điện tích q0

r ất nhỏ để nó không làm thay đổi điện tr ườ ng mà ta đang xét, điện tích q0 đượ c gọi

là điện tích thử (q0 > 0).

Thực nghiệm chứng tỏ:

0

FE = = const

q

(5.6)

Đối vớ i một điểm xác định E

đượ c gọi là véctơ cườ ng độ điện tr ườ ng.Vậy: Véct ơ cườ ng độ đ iện tr ườ ng t ại một đ iể m là một đại l ượ ng véct ơ có giá tr ị

bằ ng l ự c của đ iện tr ườ ng tác d ụng lên một đơ n vị đ iện tích d ươ ng đặt t ại đ ó.

Vì vậy véctơ cườ ng độ điện tr ườ ng đặc tr ưng cho điện tr ườ ng về phươ ng

diện tác dụng lực.

Trong hệ SI đơ n vị của E

là (V.m-1).

5.3.2.2. Véct ơ c ườ ng độ đ i ện tr ườ ng gây ra b ở i m ột đ i ện tích đ i ể m

Giả sử có một điện tích điểm q. Xung quanh q có một điện tr ườ ng. Tại một

điểm M cách q một khoảng r nếu ta đặt điện tích q0. Theo định luật Culông lực tácdụng của điện tr ườ ng q lên q0 là:

02

0

q q1 r F =

4πε .ε r r

Do đó:2

0 0

F 1 q r E= = . .

q 4.π.ε .ε r r

(5.7)




56

Rõ ràng: q >0 thì E

cùng chiều r

q < 0 thì E

ngượ c chiều r

Về độ lớ n: E =2

0

q1.

4π.ε .ε r

5.3.2.3. Véct ơ c ườ ng độ đ i ện tr ườ ng do h ệ đ i ện tích đ i ể m

Giả sử có hệ điện tích điểm q1, q2, ... qn. Tại một điểm M trong điện tr ườ ng

do hệ điện tích điểm trên gây ra nếu ta đặt điện tích thử q0.

Ta có:0 1. 0 2 0 n 0q q q q q q qF =F +F +...+F

0 1 0 2 0 n 0q q q q .q q q

0 0 0 0

F F F FE= = + +...+

q q q q

= 1 2 nE +E +....+E

i1

E En

i=

= ∑

(5.8)

Biểu thức (5.8) đượ c gọi là nguyên lý chồng chất của điện tr ườ ng.

5.4. ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ

5.4.1. Công của lự c điện trườ ng

Giả sử có một điện tích +q. Xung quanh q

có một điện tr ườ ng. Ta hãy tính công của lực điệntr ườ ng làm q0 dịch chuyển từ A đến B theo một

đườ ng bất k ỳ

A =B B B

A A A

dA= F.dS= F.dS.cosα∫ ∫ ∫

=2

2

1

1

r r 0 0r 2

0 0r

q.q q.q1 1. .dr= .(- )

4.π.ε .ε r 4.π.ε .ε r ∫

A =0

0 1 2

q.q 1 1

.( - )4.π.ε .ε r r (5.9)

Nhận xét: Công của lực điện tr ườ ng không phụ

thuộc vào hình dạng đườ ng đi, chỉ phụ thuộc vào vị trí

các điểm đầu và điểm cuối. Vì vậy điện tr ườ ng cũng là

một tr ườ ng thế và lực điện là một lực thế.

M

q0

r

q

Hình 5.2

Hình 5.4

Hình 5.3




57

5.4.2. Thế năng điện tích điểm trong điện trườ ng

Ta đã biết đối vớ i tr ườ ng thế.

1 212 t tA =W -W

Áp dụng vào điện tr ườ ng:0 0

120 1 0 2

q.q q.q1 1A = . - .

4.π.ε ε r 4.π.ε ε r

Đặt:1t

W = 0

0 1

q.q1.

4.π.ε ε r ;

2tW = 0

0 2

q.q1.

4.π.ε ε r

T ổ ng quát: Thế năng của một điện tích điểm trong điện tr ườ ng tại một vị trí

cách q một khoảng r là:

tqW = 0

0q.q1 .4.π.ε ε r +C

C là hằng số tuỳ ý chọn. Tuy nhiên trong thực tế ta không tính thế năng mà

chỉ tính hiệu thế năng, nên hằng số C đơ n giản ta chọn bằng 0.

Do đó: tqW = 0

0

q.q1.

4.π.ε ε r (5.10)

Vậy nếu q và q0 cùng dấu thế năng dươ ng, còn q và q0 khác dấu thế năng âm.

5.4.3. Điện thế

Từ biểu thức: tqW = 0

0

q.q1.

4.π.ε ε r

Nếu ta dùng đại lượ ng:

tq

0

WV=

q=

0

1 q.

4.π.ε ε r (5.11)

Thì rõ ràng V không phụ thuộc vào q0 chỉ còn phụ thuộc vào điện tích q gây

ra điện tr ườ ng và r tính từ vị trí xét. V đượ c gọi là điện thế. Nếu có hệ điện tích điểm:

n ni

ii=1 i=10 i

q1V= V = .

4.π.ε ε r ∑ ∑ (5.12)

Trong hệ SI đơ n vị của điện thế là Vôn (V)




58

5.4.4. Hiệu điện thế

Vớ i khái niệm hiệu điện thế thì công của lực điện tr ườ ng có thể viết:

12 00 1 0 2

q qA =q -

4.π.ε ε.r 4.π.ε ε.r

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

12 0 1 2A =q (V -V )

121 2

0

AV -V =

q (5.13)

Đại lượ ng 1 2V -V đượ c gọi là hiệu điện thế giữa hai điểm 1 và 2 trong điện tr ườ ng,

có giá tr ị bằng công làm dịch chuyển một đơ n vị điện tích dươ ng giữa hai điểm đó. Do

đó hịêu điện thế đặc tr ưng cho điện tr ườ ng về khả năng sinh công.

Rõ ràng điện thế và hiệu điện thế cùng đơ n vị đo (Vôn).







52

Chươ ng 6

DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

6.1. NHỮ NG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

6.1.1. Định ngh ĩ a dòng điệnTrong môi tr ườ ng dẫn điện các điện tích tự do luôn luôn chuyển động hỗn

loạn. Dướ i tác dụng của điện tr ườ ng ngoài các điện tích tự do đó sẽ chuyển động có

hướ ng: điện tích dươ ng chuyển động cùng chiều điện tr ườ ng, đi tích âm chuyển

động ngượ c chiều điện tr ườ ng. Dòng các h ạt đ i ện tích chuy ể n động có h ướ ng

d ướ i tác d ụng c ủa đ i ện tr ườ ng g ọi làdòng đ i ện.

Theo quy ướ c chiều của dòng điện là chiều chuyển dờ i của các hạt điện tích

dươ ng hay là ngượ c chiều vớ i chiều chuyển động của các hạt điện tích âm.6.1.2. Bản chất dòng điện trong các môi trườ ng

Bản chất dòng điện trong các môi tr ườ ng khác nhau cũng khác nhau (Hình 6.1).

Thực vậy như ta đã biết trong kim loại các nguyên tử liên k ết chặt chẽ vớ i

nhau tạo thành mạng tinh thể kim loại. Các ion dươ ng chỉ dao động xung quanh nút

mạng, dòng các điện tử tự do (electron tự do) chuyển động hỗn loạn trong không

gian giữa các nút mạng. Dướ i tác dụng của điện tr ườ ng chính các điện tử tự do này

chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.a)

Trái lại trong chất điện phân khi chưa có điện tr ườ ng ngoài các phân tử chất

điện phân do tươ ng tác vớ i nhau đã tự phân ly thành ion dươ ng, ion âm. Dướ i tác

dụng của điện tr ườ ng các ion này chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.b). Khối

lượ ng m của chất đượ c giải phóng ra ở điện cực bình điện phân đượ c tính theo

công thức:

Hình 6.1




53

.Itn

A.

F

1m(g) = (6.1)

Trong đó F là một hằng số gọi là số Farađây: F = 96500C/mol, A là khối lượ ng

mol nguyên tử của chất thu đượ c ở điện cực.

Đối vớ i chất khí ở tr ạng thái bình thườ ng các phân tử khí hầu như đều ở tr ạngthái trung hoà về điện. Tuy nhiên khi có kích thích bên ngoài các phân tử khí có thể

giải phóng điện tử thành ion dươ ng. Các điện tử đượ c giải phóng một số ở tr ạng thái tự

do, một số k ết hợ p vớ i nguyên tử trung hoà khác thành ion âm. Khi có điện tr ườ ng

ngoài cả ion dươ ng, ion âm, điện tử đều chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.c).

Chân không vốn không có hạt mang điện. Nó chỉ dẫn đượ c điện khi đưa

electron vào. Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dờ i có hướ ng của các

electron bứt ra từ catốt bị nung nóng do tác dụng của điện tr ườ ng. Đặc điểm của dòngđiện trong chân không là nó chỉ chạy theo một chiều nhất định từ anôt sang catôt.

Dòng điện trong bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướ ng của các electron tự

do và lỗ tr ống dướ i tác dụng của điện tr ườ ng. Tuỳ theo tạ p chất pha vào bán dẫn

tinh khiết mà bán dẫn thuộc một trong hai loại là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.

Dòng điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là dòng electron, còn trong bán dẫn loại p

chủ yếu là dòng các lỗ tr ống.

6.1.3. Tác dụng của dòng điệnTuy có bản chất khác nhau nhưng dòng điện bao giờ cũng có tác dụng đặc

tr ưng giống nhau như tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng sinh lý, tác dụng cơ học,

... Các tác dụng này đượ c ứng dụng nhiều trong y học.

6.2. NHỮ NG ĐẠI LƯỢ NG ĐẶC TR Ư NG CỦA DÒNG ĐIỆN

6.2.1. Cườ ng độ dòng điện

Xét một điện tích S bất k ỳ nằm trong môi

tr ườ ng có dòng điện chạy qua (Hình 6.2)Cườ ng độ dòng điện qua diện tích S là đại

lượ ng có tr ị số bằng điện lượ ng chuyển qua diện tích

ấy trong một đơ n vị thờ i gian.

dqi=

dt (6.2)

Hình 6.2




54

Từ đó suy ra điện lượ ng q đi qua diện tích S trong thờ i gian t sẽ là:t t

0 0

q= dq= i.dt∫ ∫ (6.3)

Nếu i có phươ ng chiều độ lớ n không đổi theo thờ i gian thì dòng điện đó đượ c

gọi là dòng điện không đổi từ (2) nếu i = I = hs. Ta có:t

0

q= i.dt=I.t∫ (6.4)

Trong hệ SI đơ n vị cườ ng độ dòng điện là Ampe (A), đơ n vị diện tích q là

Culông (C).

Ngoài ra trong thực tế còn dùng:

Kilo Ampe: 1kA = 103 A

Mili Ampe: 1mA = 10

-3

AMicro Ampe: 1 μ A = 10-6A

6.2.2. Véctơ mật độ dòng điện

Cườ ng độ dòng điện chỉ đặc tr ưng cho độ mạnh yếu của dòng điện qua một

diện tích nào đó, chưa đặc tr ưng cho độ mạnh yếu của dòng điện tại từng điểm trong

môi tr ườ ng, ngoài ra cườ ng độ dòng điện còn chưa cho ta biết phươ ng, chiều các

dòng điện. Vì vậy, ngoài cườ ng độ dòng điện ngườ i ta còn dùng một đại lượ ng vật

lý khác để đặc tr ưng cho dòng điện đó là vectơ mật độ dòng điện.

6.2.2.1. Đị nh ngh ĩ a

Véctơ mật độ dòng điện j

tại một điểm

M trong môi tr ườ ng có dòng điện là một vectơ

có gốc tại M, có phươ ng chiều là phươ ng chiều

của điện tích dươ ng chuyển động qua điểm đó,

có độ lớ n bằng cườ ng độ dòng điện qua một đơ n

vị diện tích đặt vuông góc vớ i phươ ng chuyển động ấy. (Hình 6.3)

Về độ lớ n ta có:

n

dI j=

dS (6.5)

Từ (4) ta suy ra cườ ng độ dòng điện qua diện tích vuông góc Sn là:

n n

n

S S

I= dI= j.d.S∫ ∫ (6.6)

Hình 6.3




55

Nếu trên cả mặt Sn mà j = const .Ta có:

I=j.Sn

Để tính cườ ng qua điện tích S bất k ỳ ta phải chia

diện tích S đó thành những phần tử dS. Sao cho trên dS,

j không đổi. Gọi dSn là hình chiếu dS trên phươ ngvuông góc vớ i j

; thì rõ ràng cườ ng độ dòng điện qua

dSn cũng bằng cườ ng độ qua dS.

Ta có:

dI=j.dSn = j.dS.cos α

Vì: j.cos α = jn

jn là hình chiếu của j

trên pháp tuyến n

của dS. Nên dựng dS

là một vectơ

có phươ ng pháp tuyến n

, có độ lớ n bằng giá tr ị của dS.

Theo toán học ta có:

dI= j.dS

I=s s

dI= j.dS∫ ∫

(6.7)

Trong hệ SI đơ n vị của j

là: A/m2

6.2.2.2. S ự l iên h ệ gi ữ a véct ơ m ật độ dòng đ i ện vàvéct ơ v ận t ố c c ủa các đ i ện tích

chuy ể n động

Nếu gọi n0 là mật độ điện tích tự do q là độ lớ n mỗi hạt điện tích, v là độ

lớ n vận tốc mỗi hạt thì j, n0, q , v có mối liên hệ vớ i nhau.

Thực vậy trong một đơ n vị thờ i gian số hạt điện tích đi qua dSn sẽ là:

dn = n0. nv.dS

Do đó cườ ng độ dI qua dSn sẽ là:

dI= 0 nn .v.dS q

0n

dI j = = n . q .v

dS

Ta có thể biểu diễn dướ i dạng tổng quát như sau:

0 j = n .q.v

(6.8)

Dễ dàng nhận thấy (7) đúng cho cả hạt mang điện tích dươ ng và điện tích âm.

Thật vậy: q > 0 j→

cùng chiều v

q < 0 j→

ngượ c chiều v

Hình 6.4

Hình 6.5




56

Chươ ng 7

TỪ TR ƯỜ NG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

7.1. Thí nghiệm về tươ ng tác từ của dòng điện

Ta đã biết xung quanh một nam châm xuất hiện một từ tr ườ ng. Nhờ từ

tr ườ ng mà các nam châm tươ ng tác đượ c vớ i nhau (các cực cùng dấu đẩy nhau,

khác dấu hút nhau). Tươ ng tác của nam châm vớ i nhau gọi là tươ ng tác từ.

Các thí nghiệm sau đây cũng chứng tỏ dòng điện cũng có từ tính như nam

châm, ngh ĩ a là xung quanh dòng điện cũng xuất hiện một từ tr ườ ng.

7.1.1.Thí nghiệm 1:

Đặt một kim nam châm tự do thì kim nam châm luôn luôn chỉ theo hướ ng

Bắc Nam. Căng một sợ i dây dẫn sao cho phươ ng của sợ i dây song song vớ i tr ục của

nam châm (hình 7.1a). Nếu cho dòng điện không đổi đi qua sợ i dây thì kim nam

châm bị quay đi 1 góc (hình 7.1b).

7.1.2. Thí nghiệm 2

Đưa nam châm thẳng vào gần một ống dây dẫn có

dòng điện chạy thì thấy nam châm có thể hút hoặc đẩy ống

dây đó (hình 7.2)

7.1.3. Thí nghiệm 3

Có hai dây dẫn đặt song song vớ i nhau. Nếu cho

dòng điện chạy qua hai dây dẫn đó cùng chiều thì thấy hai

dây dẫn đó hút nhau, nếu dòng điện chạy ngượ c chiều thì hai

dây dẫn đó đẩy nhau. (Hình 7.3)

7.1.4. K ết luận

Qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ nam châm tác dụng

lên nam châm cũng giống như dòng điện tác dụng lên nam

cham, hay nam châm tác dụng lên dòng điện hoặc dòng điện

tác dụng lên dòng điện.

Hình 7.1

Hình 7.3

Hình 7.2




57

Vậy xung quanh nam châm và xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua

đều xuất hiện một từ tr ườ ng. Tươ ng tác giữa nam châm vớ i nam châm, dòng điện

vớ i dòng điện, hay giữa nam châm vớ i dòng điện đều có cùng bản chất đượ c gọi là

tươ ng tác từ.

7.2. Định luật ampe (amper) về tươ ng tác từ của dòng điện

7.2.1. Phần tử dòng điện

Trên một dây dẫn có dòng điện I chạy qua nếu ta thấy một

đoạn nhỏ MN, MN coi là thẳng, thì phần tử dòng điện MN đượ c

định ngh ĩ a là: I. dl

trong đó dl

là véctơ có độ dài MN, có chiều là

chiều dòng điện I chạy trong dây dẫn (Hình 7.4).

7.2.2. Định luật Ampe

7.2.2.1. Trong chân không.

Giả sử trong chân không có 2 dòng điện I, I0. Trên dây dẫn có cườ ng độ I, tại

O ta thấy phần tử dòng điện I. dl

, trên dây dẫn

có cườ ng độ I0 ta lấy phần tử dòng điện I0 ta lấy

phần tử dòng điện I0. 0dl

tại điểm M. K ẻ vectơ

r = OM

.

Dựng mặt phẳng P chứa I. dl

và r

. Tại

M k ẻ pháp tuyến n vớ i mặt phẳng P sao cho

thứ tự 3 véctơ I. dl

, r

, n

lậ p thành một tam

diện thuận.

Gọi θ góc giữa I.dl

và r

, 0θ là góc giữa I0. 0dl

và n

(Hình 7.5)

Qua thực nghiệm chứng tỏ lực tác dụng của phần tử I. dl

lên phần tử I0. 0dl

là

một lực 0dF

.

- Có phươ ng vuông góc vớ i phần tử I0. 0dl

và vuông góc vớ i n

.

- Có chiều sao cho thứ tự ba vectơ I0. 0dl

, n

và 0dF

lậ p thành tam diện thuận.

- Có độ lớ n:

dF0= K. 0 0 02

I.dl.sin.θ.I .dl .sinθ

r (7.1)

Hình 7.4

Hình 7.5




58

K: là hệ số tỷ k ệ trong hệ SI: K = 0μ

4π.

0μ đượ c gọi là hằng số từ có giá tr ị: 0μ = 7 H4 .10

mπ

− (henri/met).

Ta có thể biểu diễn bằng biểu thức toán học tổng quát như sau:

0dF

= 0 0 03

μ (I .dl ) (I.dl r).

4π r

∧ ∧

(7.2)

7.2.2.2. Trong các môi tr ườ ng

Thực nghiệm cũng chứng tỏ, hai phần tử dòng điện nếu đặt trong môi

tr ườ ng, cùng khoảng cách so vớ i khi chúng đặt trong chân không thì lực tác dụng sẽ

thay đổi μ lần.

dF

= 0μ.dF

(7.3)

μ đượ c gọi là độ từ thẩm của môi tr ườ ng.

Nếu μ >1 thì môi tr ườ ng đó gọi là chất thuận từ. μ <1 thì đượ c gọi là môi

tr ườ ng nghịch từ.

Và định luật Ampe đượ c viết tổng quát cho các môi tr ườ ng là:

dF

= 0 0 03

μ.μ (I .dl ) (I.dl r).

4π r

∧ ∧

(7.4)

Nhận xét: địnhluật Ampe là định luật cơ bản của tươ ng tác từ. Thật vậy dòng

điện chính là tậ p hợ p của các phần tử dòng điện do đó nếu biết tươ ng tác giữa hai

phần tử dòng điện ta có thể tính đượ c tươ ng tác giữa các dòng điện, cũng giống như

định luật Culông là định luật cơ bản của tươ ng tác điện tích.

7.3. Vectơ cảm ứ ng từ , vectơ cườ ng độ từ trườ ng

7.3.1. Vect ơ c ảm ứ ng t ừ B

Từ định luật Ampe nếu ta xét vectơ

dB

=3

μ.μ (I.dl) r .

4π r

∧

(7.5)

Thì vectơ dB

chỉ phụ thuộc vào I. dl

là phần tử dòng điện gây ra từ tr ườ ng và

vị trí các điểm xét, không phụ thuộc vào I0. 0dl

. dB

đượ c gọi là vectơ cảm ứng từ

do phần tử dòng điện I.dl

gây ra tại điểm M.

Biểu thức (7.5) đượ c gọi là định luật Bio-Sava-Laplat.




59

Định lý đượ c phát biểu như sau: Véct ơ c ảm ứ ng t ừ do ph ần t ử dòng đ i ện

gây ra t ại m ột đ i ể m trong t ừ tr ườ ng có:

- Ph ươ ng vuông góc v ớ i m ặt ph ẳng ch ứ a ph ần t ử dòng đ i ện và đ i ể m xét

(m ặt ph ẳng ch ứ a I .dl, r

).

- Chi ều sao cho th ứ t ự ba vect ơ I . dl , r , dB l ập thành tam di ện thu ận

(chi ều c ủa r ).

- Có độ l ớ n:

02

μ.μ I.dl.sinθdB= .

4π r

* Chú ý:

- Vớ i khái niệm dB

thì định luật Ampe có thể biểu diễn :

dF

= ( 0 0I .dl

) dB∧

(7.6)

Rõ ràng so sánh vớ i biểu thức lực t ĩ nh điện:

F = q.E

Thì thấy dB

tươ ng đươ ng vớ i vectơ E

.

- Chiều của vectơ dB

còn có thể tìm theo quy tắc đinh ốc sau đây:

Đặt cái đ inh ố c theo ph ươ ng c ủa dòng đ i ện vàv ặn đ inh ố c sao cho nó ti ế n

theo chi ều dòng đ i ện, thì chi ều quay c ủa cái đ inh ố c làchi ều c ủa vect ơ dB

.

- Trong hệ SI đơ n vị cảm ứng từ là Tesla (T).

7.3.2. Nguyên lý ch ồng ch ấ t t ừ tr ườ ng

Dựa vào định luật Ampe ta có thể tính đượ c véctơ cảm ứng từ của cả dòng

điện hoặc n dòng điện gây ra tại một điểm trong từ tr ườ ng. Thật vậy:

- Đối vớ i một dòng điện:

cadongdien

B= dB∫

(7.7)

- Đối vớ i n dòng điện:n

ii=1

B= B∑

(7.8)

Trong đó iB

là vectơ cảm ứng từ do dòng điện thứ i gây ra.

Biểu thức (7.7) và (7.8) gọi là nguyên lý chồng chất của từ tr ườ ng.




60

7.3.3. Vect ơ c ườ ng độ t ừ tr ườ ng H

Cũng giống như điện tr ườ ng, ngoài véctơ E

ngườ i ta còn dùng véctơ D

để

đặc tr ưng cho điện tr ườ ng. Trong từ tr ườ ng ngoài véctơ B

ta còn dùng một đại

lượ ng véctơ cườ ng độ từ tr ườ ng H

đượ c định ngh ĩ a:

0

BH=μ μ

(7.9)

Rõ ràng H

và B

cùng phươ ng chiều chỉ khác nhau về độ lớ n, và H

không

phụ thuộc vào μ . Trong hệ SI đơ n vị của H

là Ampe/met (A/m)

7.3.4. Vect ơ c ảm ứ ng t ừ B vàc ườ ng độ t ừ tr ườ ng H

trong m ột vài tr ườ ng h ợ p

đặc bi ệt

Dựa vào định luật Ampe và nguyên lý chồng chất

của từ tr ườ ng ta có thể tính đượ c vectơ cảm ứng từ B

cho

các dòng điện. Ta chỉ xét một số tr ườ ng hợ p đặc biệt sau:

7.3.4.1. Dòng đ iện tròn

Giả sử có một dây dẫn hình tròn bán kính R, có

dòng điện I chạy qua. Ta hãy tính cảm ứng từ do dòng

điện gây tại tâm O.

Xét phần tử I. dl

bất k ỳ, ta thấy:

=α 900

Về độ lớ n :

dB = 0 02 2

μ.μ μ.μI.dl.sinα I.dl. = .4.π r 4π R

(7.10)

Còn phươ ng chiều áp dụng quy tắc đinh ốc (trong tr ườ ng hợ p này có

phươ ng vuông góc vớ i mặt phẳng chứa dây dẫn, chiều đi vào) (Hình 7.6).

Các phần tử I. dl

bất k ỳ trên dây dẫn đều gây ra ở O những vectơ cảm ứng

từ dB cùng phươ ng cùng chiều và có độ lớ n đều bằng:

dB = 02

μ.μ I.dl.

4π R

Do đó:

B = 02

cadongdien cadongdien

μ.μ I.dldB = .

4π R ∫ ∫

B = 02

cadongdien

μ.μ I.dl. dl

4π R ∫ = 02

μ.μ I. .2π.R

4π R

B = 0μ.μ .I

2R (7.11)

Hình 7.6




61

Chú ý:

- Để đặc tr ưng cho tính chất từ của dòng điện tròn ngườ i ta ra một đại lượ ng

vậy lý là mô men từ của dòng điện tròn đượ c định ngh ĩ a như sau:

mP

= I.S

Trong đó: I là cườ ng độ dòng điện

S

là một vectơ có cườ ng độ lớ n bằng diện tích của hình tròn chứa vòng dây

có dòng điện chạy, chiều của S

là chiều của B

tại đó:

Nếu dùng khái niệm:

mP

= I.S

Thì cảm ứng từ B

do dòng điện tròn gây ra tại tâm O có thể viết.

0 0 m0 3 3μ .μ.I.S μ.μ .PB = =2.π.R 2π.R

(7.12)

- Để tìm chiều của vectơ cảm ứng từ gây ra đối vớ i dòng điện tròn ngườ i ta

còn dùng quy tắc kim đồng hồ như sau:

Nhìn vào vòng dây, nếu dòng điện chạy

ngượ c chiều kim đồng hồ thì đó là cực bắc (đườ ng

sức cảm ứng từ đi ra từ cực bắc) nếu dòng điện

chạy cùng chiều kim đồng hồ đó là cực nam.

Biết 0B ta có thể tính 0H :

0H

= 0 m3 3

0

B PI.S= =

μ.μ 2.π.R 2π.R

Về độ lớ n:

0

IH =

2R (7.13)

Rõ ràng theo (7.13) trong hệ SI đơ n vị của H sẽ là (A/m)

7.3.4.2. Dòng đ i ện th ẳng

Giả sử có dây điện thẳng dài AB, có cườ ng độ I đi qua. Hãy tính cảm ứng từ B

và H

do dòng điện gây ra tại một điểm M cách dây dẫn một khoảng R (Hình 7.8).

Muốn vậy trên dây dẫn tại một điểm C bất k ỳ ta lấy một phần tử dòng điện I.

I. dl

thì I. dl

sẽ gây ra tại M một vectơ cảm ứng từ có phươ ng chiều xác định bằng

Hình 7.7




62

quy tắc đinh ốc (trong hình vẽ có phươ ng vuông góc vớ i mặt phẳng chứa I.dl

và

điểm xét, chiều đi vào).

Có độ lớ n: dB = 02

μ .μ I.dl.sinθ.

4π r

Gọi CH = l ta có:

l=cotgθ

R

d(cotg θ ) = -2

dθ

sin θ

2

R.dθdl = -

sin θ

Vì dl > 0 nên dl =2

R.dθ

sin θ

Mặt khác ta có: r = θ sin

R

Do đó: dB = 0μ .μ.I.sinθ.dθ

4π.R

Ta thấy các phần tử dòng điện trên dây dẫn đều gây ra tại M các véctơ cảm

ứng từ dB có cùng phươ ng, cùng chiều. Do đó về độ lớ n.

B =2

1

θ

0

cadongdien θ

μ.μ .IdB= .sinθ.dθ

4π.R ∫ ∫

B = 2

1

θ0θ

μ.μ .I.(-cosθ) )

4π.R

B = 01 2

μ.μ .I.(cosθ -cosθ )

4π.R (7.14)

Nếu dây dẫn dài vô hạn thì : π θ θ == 21 ;0 và (7.14) tr ở thành:

B = 0μ.μ .I

4π.R . [1-(-1)] = 0μ.μ .I

2π.R

Tươ ng tự vectơ cườ ng độ từ tr ườ ng H

do dòng điện gây ra tại M có phươ ng,

chiều cùng chiều vớ i B.

Còn độ lớ n:

H =I

4π.R 1 2(cosθ -cosθ ) (7.15)

Và tr ườ ng hợ p dây dẫn dài vô hạn:

H =I

2π.R (7.16)

Hình 7.8




63

Chươ ng 8

CẢM Ứ NG ĐIỆN TỪ

8.1. Thí nghiệm về hiện tượ ng cảm ứ ng điện từ

Ta đã biết dòng điện gây ra xung quanh nó một từ tr ườ ng. Vậy ngượ c lại từ tr ườ ng có thể gây ra dòng điện không?

Năm 1831 nhà vật lý học ngườ i Anh Faraday bằng thực nghiệm đã chứng tỏ

khi có từ tr ườ ng biến đổi đã sinh ra trong mạch kín dòng điện, gọi là dòng điện cảm

ứng, hiện tượ ng đó gọi là hiện tượ ng cảm ứng điện từ.

Phát minh ra hiện tượ ng cảm ứng điện từ là một trong

những phát minh quan tr ọng nhất của vật lý nói riêng và khoa

học nói chung.8.1.1. Thí nghi ệm 1

Dùng một nam châm thẳng để gần đầu một ống dây A,

ống dây A đượ c nối vớ i điện k ế nhận G (Hình 8.1)

- Nếu giữ nguyên ống dây và dịch chuyển nam châm thì

trong thờ i gian nam châm dịch chuyển, trong ống dây A có dòng

điện. Độ lớ n, chiều của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ dịch

chuyển của nam châm (nếu dịch chuyển thanh nam châm càng

nhanh thì cườ ng độ dòng cảm ứng càng lớ n. Nếu đưa cực bắc lại

gần ống dây, thì dòng cảm ứng xuất hiện có chiều ngượ c chiều

vớ i khi đưa cực bắc ra xa ống dây).

- Nếu giữ nguyên nam châm và dịch chuyển ống dây thì

hiện tượ ng cũng xảy ra tươ ng tự như trên.Vậy khi có sự chuyển

động tươ ng đối giữa nam châm và ống dây thì trong ống dây

xuất hiện dòng cảm ứng.

8.1.2. Thí nghi ệm 2

Thay nam châm bằng một ống dây B, ống dây B đượ c

nối vớ i nguồn điện một chiều (Hình 8.2).

- Nếu đóng khoá K. Cho 2 ống dây A, B chuyển động

tươ ng đối thì ống dây A cũng có dòng cảm ứng như thí nghiệm 1.

Hình 16.1

Hình8.1

Hình 8.2




64

- Nếu để A và B đứng yên, đóng hoặc ngắt khoá K ta cũng thấy trong ống

dây A xuất hiện dòng cảm ứng. Dòng cảm ứng có chiều khi đóng K ngượ c chiều

vớ i dòng cảm ứng xuất hiện khi ngắt khoá K.

* Nhận xét: qua thí nghiệm 2 ta thấy một ống dây có dòng điện một chiều chạy qua

tươ ng đươ ng vớ i một nam châm thẳng, ta gọi nam châm điện.

* K ế t luận: qua nhiều thí nghiệm Faraday đã đi đến k ết luận.

- Khi từ thông qua mạch kín biến đổi thì trong mạch kín xuất hiện dòng cảm ứng.

- Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thờ i gian từ thông biến đổi qua

mạch kín.

- Cườ ng độ dòng cảm ứng tỷ lệ thuận vớ i tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín.

- Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự biến đổi của từ thông qua

mạch kín đó tăng hay giảm.8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứ ng điện từ

8.2.1. Đị nh lu ật Lenx ơ v ề chi ều dòng c ảm ứ ng

8.2.1.1. Phát biể u

Dòng cảm ứng bao giờ cũng có chiều sao cho từ tr ườ ng do nó sinh ra chống

lại nguyên nhân sinh ra nó.

8.2.1.2. Thí d ụ

Trong thí nghiệm đưa cực bắc của nam châm lại gầnđầu của ống dây A. Ta thấy từ thông qua ống dây A tăng

lên, theo định luật Lenxơ dòng cảm ứng phải có chiều sao

cho từ tr ườ ng do nó sinh ra chống lại sự tăng từ thông đó.

Muốn vậy đườ ng sức từ tr ườ ng do dòng điện trong ống dây

gây ra phải ngượ c chiều vớ i đườ ng sức từ do nam châm gây

ra (Hình 8.3).

Áp dụng quy tắc kim đồng hồ ta thấy đầu ống dây A ở gần nam châm phải là

cực bắc.Tươ ng tự nếu đưa cực bắc nam châm ra xa ống dây thì đầu ống dây A ở gần

nam châm sẽ phải là cực nam. Dòng điện trong ống dây lúc đó sẽ chạy theo chiều

ngượ c lại. Chú ý: muốn dịch chuyển nam châm ta phải tốn năng lượ ng cơ học, năng

lượ ng này đã biến thành năng lượ ng dòng cảm ứng, vậy định luật Lenxơ là biểu

hiện của định luật bảo toàn năng lượ ng.

Hình 8.3




65

8.2.2. Đị nh l ụ ât Faraday v ề su ấ t đ i ện động c ảm ứ ng

Sự suất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch xuất hiện một suất điện

động. Suất điện động đó gọi là suất điện động cảm ứng.

Để tính suất điện động cảm ứng ta xét một thí nghiệm tổng quát như sau:

Dịch chuyển một vòng dây kín (C) trong từ tr ườ ng từ vị trí (1) đến vị trí (2)

sao cho từ thông qua mạch kín đó biến đổi (Hình 8.4).

Giả sử sau thờ i gian dt, từ thông qua mạch kín biến đổi một lượ ng d mφ và

cườ ng độ dòng cảm ứng là IC. Khi đó công từ lực tác dụng lên dòng cảm ứng sẽ là:

dA=IC. d mΦ (8.1)

Theo định luật Lenxơ , từ lực tác dụng lên dòng điện cảm ứng phải ngăn cản

sự dịch chuyển của vòng dây vì sự dịch chuyển này là nguyên nhân gây ra dòngcảm ứng nên công của từ lực tác dụng lên dòng cảm ứng phải là công cản.

Vì thế để dịch chuyển vòng dây ta phải tốn một công dA' bằng công cản đó.

dA' = - dA = -IC. d mΦ (8.2)

Theo định luật bảo toàn năng lượ ng, công dA'

phải đượ c chuyển thành năng lượ ng của dòng điện cảm

ứng. Nếu gọi Cε là suất điện động cảm ứng, ta phải có:

C C C mε .I .dt = -I .dΦ

mC

d.ε = -

dt

Φ (8.3)

(8.3) đượ c gọi là định luật Faraday về suất điện động cảm ứng, phát biểu như sau:

Suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về tr ị số nhưng trái dấu vớ i tốc độ

biến thiên từ thông gửi qua diện tích của mạch điện

Chú ý: Theo định luật Lenxơ công của từ lực tác dụng dòng cảm ứng bao giờ

cũng là công cản, do đó để dịch chuyển mạch điện trong từ tr ườ ng ta phải tốn một

công bằng về tr ị số nhưng trái dấu vớ i công cản đó. Vì vậy dấu (-) trong biểu thức

(1) chính là biểu hiện về mặt toán học của định luật Lenxơ .

Vậy định luật Faraday về suất điện động cảm ứng chính là định luật tổng

quát của hiện tượ ng cảm ứng điện từ.

Hình 8.4




66

8.3. Một số trườ ng hợ p đặc biệt của cảm ứ ng điện từ

8.3.1. Dòng đ i ện xoay chi ều

Một trong các ứng dụng quan tr ọng của cảm ứng điện

từ là tạo ra dòng điện xoay chiều. Dòng xoay chiều là tr ườ ng

hợ p dòng cảm ứng xuất hiện khi có biến thiên từ thông tuầnhoàn qua mạch kín.

Thật vậy ta hãy xét một khung dây đặt trong một từ

tr ườ ng đều cảm ứng từ B

. ở thờ i điểm t = 0, B

vuông góc vớ i

mặt phẳng của khung, từ thông qua mạch là:

0φ =B.S

Nếu ta quay khung vớ i vận tốc góc đều ω . Xung quanh tr ục OO' (Hình 8.5)

thì tại thờ i điểm t từ thông qua khung sẽ là:m 0= .cos(ωt)Φ Φ

Theo định luật cảm ứng điện từ suất điện động trong khung sẽ là:

mC m

d.ε = - = ω.sin(ω.t)

dt

ΦΦ (8.4)

0 0ε =ε .sin(ω.t) vớ i 0 0ε = .ωΦ

Vậy suất điện động trong tr ườ ng hợ p này là một suất điện động xoay chiều

hình sin, nên mạch kín sẽ xuất hiện một dòng điện có cườ ng độ dòng điện.

i = I0.sin( ω.t+ )ϕ (8.5)

Dòng điện đó đựơ c gọi là dòng điện xoay chiều vớ i chu k ỳ:

T =2.π

ω

Tần số:

f =T

1

Chú ý:

- Trong k ỹ thuật các máy phát điện tạo ra dòng điện xoay chiều đượ c gọi là

máy dao điện.

- Các máy dao điện tạo ra dòng điện có tần số 50Hz hoặc 60Hz

- Nếu khung dây gồm nhiều vòng dây như nhau thì:

0 0ε = N. .ω = N.B.S.ωΦ

Hình 8.5




67

8.3.2. Dòng đ i ện Phucô

Khi có một khối vật dẫn chuyển động trong từ tr ườ ng, hoặc từ tr ườ ng biến

thiên trong khối vật dẫn thì trong khối vật dẫn đó cũng xuất hiện một dòng điện cảm

ứng, tr ườ ng hợ p này gọi là dòng Phucô.

Cườ ng độ của dòng Phucô là:

iF = Fε

R (8.6)

Vì R r ất nhỏ nên iF r ất lớ n, theo định luật Jun- Lenxơ thì tác dụng nhiệt của

dòng Phucô r ất lớ n. Vớ i đặc điểm đó dòng Phucô có vai trò quan tr ọng trong k ỹ thuật.

8.3.2.1. Tác hại của dòng Phucô

Trong các biến thế điện, máy phát điện, động cơ điện... lõi sắt của chúng sẽ xuất

hiện các dòng Phucô, một phần năng lượ ng sẽ mất đi dướ i dạng toả nhiệt, đặc biệt nếucác lõi sắt đó có điện tr ở r ất nhỏ thì tác dụng nhiệt r ất lớ n, có thể bị nóng chảy.

Để làm giảm tác dụng nhiệt này, các lõi ngườ i ta không dùng cả khối kim

loại mà gồm nhiều lá kim loại mỏng ghép lại, các lá kim loại này đượ c sơ n cách

điện vớ i nhau.

8.3.2.2. Dòng Phucô có l ợ i

Trong nhiều tr ườ ng hợ p tác dụng nhiệt của dòng Phucô lại có lợ i. Thí dụ để

nung chảy kim loại ngườ i ta dùng các lò cảm ứng, trong lò để các kim loại, dùng từ

tr ườ ng biến thiên thanh qua lò, dướ i tác dụng nhiệt làm các kim loại nóng chảy. Ư u

điểm của phươ ng pháp này so vớ i các phươ ng pháp khác là nó có thể thực hiện

trong chân không.




68

Phần thứ tư : QUANG HỌC

Quang học là môn học nghiên cứu về ánh sáng

Ta đã biết về bản chất ánh sáng là một sóng điện từ, đồng thờ i ánh sáng là

dòng các hạt photon. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các hiện tượ ng quang

học nhằm hiểu rõ hơ n bản chất của ánh sáng, đồng thờ i sẽ cung cấ p những kiến thức

cần thiết về việc ứng dụng những định luật quang học trong y học.

Chươ ng 9

CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC. DỤNG CỤ QUANG HỌC

9.1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC

Quang hình học dựa trên bốn định luật cơ bản sau đây:

9.1.1. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Định luật đượ c phát biểu.

Trong m ột môi tr ườ ng trong su ố t đồng tính và đẳng h ướ ng, ánh sáng

truy ền theo đườ ng th ẳng.

Khi nghiên cứu hiện tượ ng nhiễu xạ ta sẽ thấy định luật này có giớ i hạn ứng

dụng của nó. Khi ánh sáng truyền qua những lỗ thật nhỏ hoặc gặ p những chướ ng

ngại vật kích thướ c nhỏ vào cỡ bướ c sóng ánh sáng thì định luật trên không còn

đúng nữa.

9.1.2. Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng

Định luật đượ c phát biểu:

Tác d ụng c ủa các chùm sáng khác nhau thìđộc l ập v ớ i nhau. Ngh ĩ a là,

tác d ụng c ủa m ột chùm sáng này không ph ụ thu ộc vào s ự có m ặt hay không c ủa

các chùm sáng khác.

9.1.3. Hai định luật của Đêcac (Descartes)

Thực nghiệm xác nhận r ằng, khi tia sáng OI tớ i mặt phân cách hai môi

tr ườ ng trong suốt, đồng tính và đẳng hướ ng thì tia sáng bị tách thành hai tia: tia

phản xạ IR 1 và tia khúc xạ IR 2 (Hình 9.1).

Chúng tuân theo hai định luật sau đây:




69

9.1.3.1. Đị nh lu ật Đ êcac th ứ nh ấ t - đị nh lu ật

ph ản x ạ

Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tớ i

(tức là mặt phẳng chứa tia tớ i và pháp tuyến IN)

và góc tớ i bằng góc phản xạ.

i1 = i1' (9.1)

9.1.3.2. Đị nh lu ật Đ êcac th ứ hai - đị nh lu ật khúc x ạ

Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tớ i và tỷ số giữa sin góc tớ i và sin góc

khúc xạ là một số không đổi.

12-1

2

sini = n

sini (9.2)

2-1n là một số không đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi tr ườ ng, đượ cgọi là chiết suất tỉ đối của môi tr ườ ng 2 đối vớ i môi tr ườ ng 1.

Nếu 2-1n >1 thì i2<i1, tia khúc xạ gầ p pháp tuyến và môi tr ườ ng 2 đượ c gọi là

chiết quang hơ n môi tr ườ ng 1. Ngượ c lại, nếu 2-1n <1 thì i2>i1, tia khúc xạ lệch xa

pháp tuyến hơ n và môi tr ườ ng 2 kém chiết quang hơ n môi tr ườ ng 1.

9.1.3.3. Chi ế t su ấ t t ỉ đố i vàchi ế t su ấ t tuy ệt đố i

Nếu gọi v1 và v2 là vận tốc ánh sáng trong môi tr ườ ng 1 và 2, từ thực

nghiệm chứng tỏ:

2-1n = 1

2

v

v (9.3)

Ngoài chiết suất tỉ đối, ngườ i ta còn định ngh ĩ a chiết suất tuyệt đối của một

môi tr ườ ng:

Chi ế t su ấ t tuy ệt đố i c ủa môi tr ườ ng làchi ế t su ấ t t ỉ đố i c ủa môi tr ườ ng đ ó

đố i v ớ i chân không.

Nếu gọi v là vận tốc ánh sáng trong môi tr ườ ng, c là vận tốc ánh sáng trong

chân không và n là chiết suất tuyệt đối của môi tr ườ ng thì căn cứ vào (3) ta có:

cn =

v (9.4)

Đối vớ i không khí v ≈c nên n ≈1

Hình 9.1




70

Ta tìm mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối của hai môi tr ườ ng và chiết suất

tuyệt đối của chúng. Từ (3) có thể viết:

2-1n = 1 2

2 2 1 1

v nc c= : =

v v v n (9.5)

Nếu môi tr ườ ng thứ nhất là không khí thì n1 ≈ 1 và 2-1n ≈ n2. Do đó có thể coi

chiết suất tuyệt đối của một môi tr ườ ng là chiết suất tỉ đối của môi tr ườ ng đó là đối

vớ i không khí.

9.1.3.4 . D ạng đố i x ứ ng c ủa đị nh lu ật Đ êcac

Từ (2) và (5) có thể viết:

12-1

2

sini= n

sini= 2

1

n

n

Hay:n1.sini1 = n2.sini2 (9.6)

Biểu thức (6) là dạng đối xứng của định luật Đêcac

9.1.4. Hiện tượ ng phản xạ toàn

phần

Hai điều kiện để hiện tượ ng

phản xạ toàn phần xảy ra:

- Thứ nhất là ánh sáng phải đi từ

môi tr ườ ng chiết quang mạnh sang môi

tr ườ ng chiết quang kém hơ n, thí dụ đi

từ nướ c ra không khí. Khi đó ta có:

n1.sini1 = n2.sini2

Ở đây vì n1 > n2 nên i1 < i2 , tức là góc tớ i nhỏ hơ n góc khúc xạ. Khi tăng góc

tớ i thì góc khúc xạ cũng tăng, nhưng luôn luôn có i1<i2. Khi góc khúc xạ i2 = 900

thì góc tớ i đến một giá tr ị gọi là góc tớ i tớ i hạn (ig)

- Thứ hai là góc tớ i phải lớ n hơ n (hay tối thiểu là bằng) góc tớ i tớ i hạn, tức là:

i gi≥

Khi đó thì toàn bộ tia sáng đi tớ i mặt phân cách hai môi tr ườ ng sẽ phản xạ

tr ở lại môi tr ườ ng thứ nhất. Hiện tượ ng này gọi là phản xạ toàn phần. Lúc đó ta có:0

1 g 2n .sini = n .sin90

Hình 9.2




71

=> sinig = 2

1

n

n (9.7)

* Ứ ng d ụng c ủa hi ện t ượ ng ph ản x ạ vàkhúc x ạ ánh sáng

- Dựa vào hiện tượ ng khúc xạ và phản xạ toàn phần có thể giải thích đượ c

hiện tượ ng các ảo ảnh quan sát đượ c ở các vùng sa mạc hay đồng cỏ (Hình 1.3). Nhờ sự uốn cong của tia sáng nên một số vật ở khuất xa dướ i đườ ng chân tr ờ i sẽ

đượ c nhìn thấy và hình như ở gần ngườ i quan sát hơ n.

- Dựa vào tính chất khi gươ ng

phẳng quay một góc α thì tia phản xạ

quay một góc 2 α , ngườ i ta gắn một

gươ ng phẳng vào khung treo của một điện

k ế. Khi có dòng điện một chiều chạy trongkhung dây, khung dây sẽ quay kéo theo cả gươ ng cùng quay. Chiếu một chùm tia

sáng vào gươ ng, khi gươ ng quay thì tia sáng phản xạ sẽ quay một góc lớ n gấ p đôi,

tức là đã tăng độ nhậy của điện k ế. Đó là nguyên tắc cấu tạo của điện k ế gươ ng.

- Hiện tượ ng phản xạ toàn phần đượ c ứng dụng để đổi chiều tia sáng trong các

dụng cụ quang học. Chiết suất của thuỷ tinh vào cỡ 1,5. Vì vậy góc tớ i tớ i hạn trên biên

giớ i thuỷ tinh - không khí cỡ 0gi 42≈ , khi góc tớ i bằng 450 sẽ luôn luôn xảy ra hiện

tượ ng phản xạ toàn phần. Hình 1.4 biểu diễn các lăng kính phản xạ toàn phần.

(a) (b)

Hình 9.4. Lăng kính phản xạ toàn phần

Lăng kính phản xạ toàn phần đượ c ứng dụng

nhiều trong các dụng cụ quang học như kính tiềm

vọng, kính hiển vi, khúc xạ k ế . Ngày nay hiện tượ ng

Hình 9.3

Hình 9.5

B' A'

A

B

A’

A

B

B'




72

phản xạ toàn phần còn đượ c ứng dụng trong cáp sợ i quang (O.F = Optical Fibers).

Sợ i quang học cấu tạo gồm hai lớ p (xem hình 9.5), lõi có chiết suất n1, vỏ có chiết

suất n2, vớ i điện kiện n1>n2. Khi cho ánh sáng (tia laser) đi vào một đầu sợ i quang

(phần lõi), ánh sáng sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trong lõi mà không bị lọt ra lớ p

vỏ, như vậy không mất mát (hay không đáng k ể) năng lươ ng và sẽ đi đến tận đầu

kia của sợ i quang.

- Dựa vào tính chất chiết suất của các chất phụ thuộc vào bướ c sóng ánh sáng

chiếu vào nó, ngườ i ta có thể giải thích hiện tượ ng tán sắc ánh sáng (thí dụ cầu

vồng). Dựa trên nguyên lý này, đã chế tạo ra các dụng cụ phân tích ánh sáng đa sắc

(ánh sáng tự nhiên) thành các ánh sáng đơ n sắc, thí dụ như các lăng kính (bằng thuỷ

tinh hay thạch anh) dùng trong các máy quang phổ.

Chiết suất chất phụ thuộc vào bản chất của chất đó, vào bướ c sóng ánh sángchiếu vào nó, vào nhiệt độ khi đo, và vớ i một số dung dịch, còn phụ thuộc vào

nồng độ của chất tan. Vì vậy việc xác định chỉ số khúc xạ (chiết suất) của một chất

đượ c dùng để phân tích định tính và có thể cả định lượ ng chất đó.

9.2. DỤNG CỤ QUANG HỌC

Trong phần này của giáo trình chỉ trình bày về phươ ng pháp hiển vi. Như

vậy sinh viên cần phải đọc lại những nội dung có trong chươ ng trình phổ thông

như: gươ ng phẳng, gươ ng cầu, thấu kính, kính lúp, kính hiển vi.

Khi nghiên cứu, quan sát, đo đạc vớ i góc phân ly tối thiểu của mắt bình

thườ ng là minα = 1 phút. Ứ ng vớ i giá tr ị của góc này, ở khoảng cách nhìn thuận lợ i l0

= 25cm,còn phân biệt đượ c hai điểm A, B có khoảng cách d = 7,5.10-5m. Vớ i khoảng

cách nhỏ hơ n thì mắt không phân ly đượ c nữa. Lúc đó A' và B' là ảnh của A, B sẽ

trùng nhau và sẽ cùng kích thích lên một tế bào thần kinh thị giác, mắt sẽ không phân

biệt đượ c A và B. Muốn nhìn đượ c vật có kích thướ c quá bé (cỡ μm ) phải dùng dụng

cụ bổ tr ợ cho mắt. Tác dụng của dụng cụ bổ tr ợ là làm tăng góc nhìn, mắt sẽ quan sát

ảnh của vật dướ i góc nhìn lớ n hơ n, tức là

làm tăng năng suất phân ly của mắt.

Thí dụ, một vật AB có kích thướ c

khá bé, đặt cách mắt một khoảng l0=25cm

Hình 9.6






74

Tức là: r ≥ R (8)

Gọi d là khoảng cách giữa hai điểm sáng mà mắt còn phân biệt đượ c (nếu quan

sát các vật ở xa thì là góc trông α ). Năng suất phân ly đượ c định ngh ĩ a như sau:

Năng suất phân ly S của một dụng cụ quang học là một đại lượ ng có tr ị số

bằng nghịch đảo của khoảng cách dmin giữa hai điểm sáng mà mắt còn phân biệt

đựơ c qua quang cụ (đối vớ i kính nhìn xa, kính thiên văn thì đo bằng nghịch đảo của

góc trông α min từ mắt tớ i hai điểm).

S=min

1

d Hay S =

min

1

α (9.8)

Ta thấy khi d = dmin là ứng vớ i r = R.

Rõ ràng nếu d hayα càng nhỏ thì năng suất phân ly càng lớ n và dụng cụ

quang học càng tốt.

9.2.1.2. N ăng su ấ t phân ly c ủa m ột d ụng c ụ quang h ọc

Đối vớ i kính hiển vi, ngườ i ta chứng minh đượ c năng suất phân ly bằng

S=λ 61,0

sin. un (9.9)

Trong đó: n là chiết suất môi tr ườ ng đặt vật quan sát.

u là góc nghiêng lớ n nhất của chùm sáng chiếu vào vật kính.

λ là bướ c sóng của ánh sáng.

Hình 9.8

Hình 9.9




75

Hình 9.10. N ăng suấ t phân ly của kính hiể n vi

Đối vớ i kính thiên văn ngườ i ta chứng minh đượ c.

22,1

1

min

d S ==

α (9.10)

Trong đó: d là đườ ng kính của vật kính

9.2.2. Kính hiển vi quang học

9.2.2.1. Nghiên c ứ u vàc ấ u t ạo

Nguyên lý chung của các dụng cụ hiển vi là sử dụng các loại thấu kính có

khả năng làm thay đổi phươ ng truyền của tia sáng hoặc của chùm điện tử (vớ i kính

hiển vi điện tử). Các thấu kính sử dụng vớ i ánh sáng nhìn thấy thườ ng làm bằng

thuỷ tinh Flin hoặc Crao, vớ i ánh sáng tử ngoại làm bằng thạch anh, vớ i chùm tia

điện tử bằng thấu kính t ĩ nh điện hay thấu kính từ.

Hiện nay có nhiều loại kính hiển vi quang học dùng trong nghiên cứu y sinh

học. Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu, tính chất và đặc điểm của từng đối tượ ng nghiên

cứu, ngườ i ta đã chế tạo các loạikính hiển vi tr ườ ng sáng, kính

hiển vi tr ườ ng tối, kính hiển vi tử

ngoại, kính hiển vi phân cực, kính

hiển vi huỳnh quang…

Tất cả các loại kính hiển vi

quang học này về nguyên lý, cấu

tạo cơ bản giống nhau là dùng các hệ thấu kính hiển vi quang học đã khử hết quang

sai và các hệ đượ c đặt trên cùng một tr ục chính.

Hệ quang học gồm: kính tụ quang L1, vật kính L2 (đặt gần vật quang sát), thị

kính L3 (đặt gần mắt) như hình (9.11). Ngoài ra còn có các bộ phận khác như gươ ng

phản chiếu ánh sáng (thườ ng một mặt phẳng và một mặt lõm), các lăng kính phản

xạ toàn phần để thay đổi phươ ng truyền của tia sáng…

Hình 9.11. S ơ đồ cấ u t ạo kính hiể n vi




76

9.2.2.2. Kính h i ể n vi quang h ọc tr ườ ng sáng

- C ấ u t ạo

S là nguồn phát ra ánh sáng tr ắng (ánh sáng tự nhiên, bóng đền điện…) các

thấu kính làm bằng thuỷ tinh trong suốt.

- Nguyên t ắ c t ạo ảnh

Hình 9.12. Dự ng ảnh qua kính hiể n vi

Nguyên tắc chung về dựng ảnh là sử dụng các định lụât quang hình như định

luật truyền thẳng của ánh sáng, định luật khúc xạ ánh sáng khi đi vào thấu kính.

A1B1 là ảnh thật của vật AB qua vật kính, A2B2 là ảnh ảo của A1B1 qua thị kính. Để

cho A2B2 làm ảnh ảo thì A1B1 phải nằm trong khoảng tiêu cự của thị kính. A3B3 là

ảnh hiện lên võng mạc của mắt khi quan sát ảnh A2B2 của vật AB qua quang hệ. Để

cho đỡ mỏi mắt khi quan sát, ngườ i ta thườ ng phải di chuyển ống kính (chứa vật

kính và thị kính) sao cho vật AB cách vật kính một khoảng cách thích hợ p để A1B1

nằm đúng tiêu điểm F2 của thị kính, lúc đó mắt như quan sát ở vô cực

- Độ phóng đại.

Gọi khoảng cách giữa tiêu điểm chính thứ hai của vật kính và tiêu điểm

chính thứ nhất của thị kính là Δ , Δ là độ dài quang học của kính hiển vi.

f 1 là tiêu cự của vật kính.

f 2 là tiêu cự của thị kính. Ngườ i ta đã chứng minh đượ c độ phóng đại dài của kính hiển vi xác định

theo công thức sau:

k = k V.k T =21

0

.

.

f f

l Δ (9.11)

Thườ ng l0 = 25cm là khoảng nhìn rõ của mắt bình thườ ng.




77

Công thức (9.11) cho thấy vớ i Δ , l0 cố định thì kính hiển vi có tiêu cự càng

ngắn, độ phóng đại càng lớ n. Tuy nhiên việc giảm tiêu cự của vật kính và thị kính

cũng bị giớ i hạn hiện tượ ng nhiễm xạ ánh sáng trong kính hiển vi, bở i vì vớ i f 1, f 2

quá bé sẽ không còn khả năng phân biệt đượ c hai điểm sáng nằm gần nhau. Nhưng

dựa vào công thức (9.11), chúng ta có thể làm tăng năng suất phân ly của kính hiển

vi bằng cách tăng chiết suất (n) của môi tr ườ ng chứa vật quan sát hoặc tăng góc

trông (u). Việc tăng góc u cũng chỉ có một giớ i hạn nhất định vì góc u quá lớ n sẽ

làm suất hiện hiện tượ ng quang sai. Biện pháp tốt nhất là tăng n.

Thườ ng vật đem soi (tiêu bản) đượ c đặt trên một tấm kính, phía trên đậy

bằng một phiến kính mỏng (lamen) để bảo vệ tiêu bản. Do vậy ánh sáng từ vật phải

qua lamen vào không khí r ồi tớ i vật kính, cho nên nó bị khúc xạ ở mặt ranh giớ i

giữa lamen và không khí (Hình 9.13)Ta biết r ằng chiết

suất thuỷ tinh lớ n hơ n chiết

suất không khí (ntt>nkk ), nên

khi ánh sáng đi từ thuỷ tinh

ra không khí thì góc tớ i

luôn nhỏ hơ n góc khúc xạ,

khi góc tớ i lớ n hơ n góc tớ i giớ i hạn(i>ig) sẽ xảy ra hiện tượ ng phản xạ toàn phần.Vậy nếu góc trông (cũng chính bằng góc tớ i) mà lớ n hơ n góc tớ i giớ i hạn (u ≥ ig).

Thì sẽ không có ánh sáng tớ i vật kính, ngh ĩ a là không nhìn thấy vật. Mặt khác, khi u

nhỏ thì năng suất phân ly của kính hiển vi nhỏ và độ dọi của ảnh nhỏ, ảnh sẽ mờ khi

quan sát.

Muốn tăng góc trông u (tức là tăng góc tớ i i), ngườ i ta thườ ng để vật kính chìm

trong môi tr ườ ng có chiết suất gần bằng chiết suất của thuỷ tinh, thí dụ như dầu xét có

n ≈ 1,50=ntt hay dầu bá hươ ng có n=1,4. Phươ ng pháp này gọi là dùng vật kính chìm

(hay vật kính dầu). Như vậy, việc dùng vật kính chìm sẽ tránh đượ c hiện tượ ng phản

xạ toàn phần, đồng thờ i độ dọi của ảnh cũng tăng và tăng năng suất phân ly của kính

hiển vi. K ết quả là sẽ quan sát đượ c những chi tiết nhỏ của vật và thấy rõ vật hơ n. Biện

pháp này có thể tăng năng suất phân ly của kính hiển vi lên 4,5 lần.

Hình 9.13




78

Mặt khác, từ công thức dmin = 0,61 λ /(n.sinu), chúng ta thấy khi chiếu sáng

kính hiển vi bằng ánh sáng có bướ c sóng λ thì chỉ có thể phân giải đượ c các điểm

cách nhau một khoảng cỡ λ . Do đó, nếu vật có kích thướ c nhỏ hơ n λ thì dù kính

hiển vi có tinh xảo đến đâu cũng không phân giải đượ c.

- Độ t ươ ng phản

Độ tươ ng phản là sự khác nhau giữa cườ ng độ sáng trên ảnh của vật và môi

tr ườ ng xung quanh hoặc giữa các phần khác nhau trên ảnh. Độ tươ ng phản càng

lớ n thì ảnh càng rõ nét. Khi chiếu ánh sáng vào vật thì độ tươ ng phản thể hiệ ở sự

hấ p thụ khác nhau giữa phần cần quan sát vớ i môi tr ườ ng xung quanh. Thí dụ,

muốn quan sát nhân và bào tươ ng của tế bào thì cườ ng độ sáng đi qua nhân và bào

tươ ng phải khác nhau. Do đặc điểm riêng của cấu trúc, khả năng hấ p thụ năng lượ ng

của chúng sẽ khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế có những đối tượ ng sống có mứcđộ hấ p thụ năng lượ ng ánh sáng giống nhau vớ i môi tr ườ ng xung quanh, do vậy độ

tươ ng phản của ảnh kém. Để khắc phục nhượ c điểm này, ngườ i ta nhuộm vật

nghiên cứu bằng thuốc thử thích hợ p. K ết quả là độ tươ ng phản của ảnh tăng rõ r ệt.

Nhưng chú ý r ằng, việc nhuộm tiêu bản sẽ làm chết tế bào nên không thể quan sát

tr ực tiế p các hoạt động sống của tế bào.

9.2.3. Các loại kính hiển vi khác

9.2.3.1. Kính hi ể n vi t ử ngo ại Nguyên lý và cấu tạo cơ bản giống

kính hiển vi tr ườ ng sáng, chỉ khác.

- Soi tiêu bản bằng ánh sáng tử

ngoại (đèn thuỷ ngân).

- Các hệ thống quang học đều

làm bằng thạch anh và thuỷ tinh

thườ ng hấ p thụ mạnh tia tử ngoại.

- Có bộ lọc tia tử ngoại để tạo ra

chùm tia đơ n sắc. Hệ thống lọc này gồm lăng kính phân tích, các khe lọc, lăng kính

phản xạ toàn phần (Hình 9.14). Cần chú ý không quan sát tr ực tiế p trên kính hiển vi

tử ngoại bằng mắt thườ ng vì tia từ ngoại có tác hại lớ n tớ i mắt. Vì vậy khi nghiên

cứu bằng kính hiển vi tử ngoại phải chụ p bằng phim ảnh hay kính ảnh.

Hình 9.14




79

Ư u điểm chính của kính hiển vi tử ngoại là tia tử ngoại có bướ c sóng ngắn,

do đó làm tăng năng suất phân ly của kính (có thể tăng gấ p đôi so vớ i kính hiển vi

tr ườ ng sáng), đồng thờ i cũng làm tăng độ tươ ng phản của ảnh, vì các thành phần

cấu trúc tế bào như protein, acid nucleic hấ p thụ mạnh tia tử ngoại.

9.2.3.2. Kính hi ể n vi hùynh quang

Nguyên lý của kính hiển vi huỳnh quang là dựa vào hiện tượ ng một số chất khi

bị chiếu bở i tia tử ngoại sẽ kích thích bức xạ ra ánh sáng có bướ c sóng đặc tr ưng cho

chính nó. Thí dụ, diệ p lục sẽ phát quang màu đỏ tươ i. Sự phát quang của chính vật cần

nghiên cứu do tác dụng của tia tử ngoại tạo nên ánh sáng huỳnh quang, ánh sáng huỳnh

quang sẽ tạo ảnh của vật qua kính hiển vi. Từ nguyên lý này ta thấy kính hiển vi huỳnh

quang có những phần giống kính hiển vi tử ngoại, chỉ thêm một bộ phận ngăn tia tử

ngoại để nó không có trong thành phần tạo ảnh của vật. Có một số thành phần trongcấu trúc tế bào như protein, acid nucleic...không có khả năng phát quang, do đó phải

nhuộm các khối đối tượ ng đó bằng các chất có khả năng phát quang.

9.2.3.3. Kính h i ể n vi tr ườ ng t ố i

Hiện tượ ng tán xạ là

hiện tượ ng các tia sáng sau khi

đi qua môi tr ườ ng không đồng

nhất về mặt quang học sẽ bị đổi phươ ng so vớ i phươ ng truyền

ban đầu (Hình 9.15).

Dựa vào hiện tượ ng tán

xạ, ngườ i ta đã chế tạo ra kính

hiển vi tr ườ ng tối.

Về cấu tạo cơ bản

giống kính hiển vi tr ườ ng

sáng, chỉ thêm màn chắn AB

đặt dướ i kính tụ quang để

ngăn các tia sáng gâng tr ục và

cho các tia xa tr ục chính đi

qua thấu kính (Hình 9.16). Các tia sáng đi qua méo kính tụ quang bị khúc xạ vớ i

Hình 9.16. Kính hiể n vi tr ườ ng t ố i

Hình 9.15. Hiện t ượ ng tán xạ ánh sáng




80

góc lớ n, do đó sau khi đi qua tiêu bản sẽ không tác dụng vào vật kính. Các hạt nhỏ

có trong tiêu bản khi bị chiếu sáng sẽ tr ở thành nguồn thứ cấ p phát ánh sáng truyền

đi theo mọi hướ ng và đi vào vật kính, nhờ đó mà ta quan sát đượ c tiêu bản.

Kính hiển vi tr ườ ng tối làm tăng độ tươ ng phản nhưng lại làm giảm khả năng

phân ly so vớ i các kính hiển vi khác. Vì thế nó thườ ng đượ c dùng để quan sát sự di

chuyển (hoạt động) của đối tượ ng sống, không sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc đượ c.

9.2.4. Phươ ng pháp chiếu và chụp bằng hiển vi

Nguyên lý chung của phươ ng pháp này là quang hệ của kính hiển vi phải tạo ra

đượ c ảnh thật của vật quan sát. Muốn vậy phải bố trí thị kính hoặc vật kính sao cho ảnh

của vật tạo bở i vật kính phải nằm ngoài tiêu điểm chính thứ nhất của thị kính.

- Muốn chiếu ảnh ta chỉ cần đặt màn ảnh tại vị trí của ảnh thật, vị trí của

màn ảnh phải đượ c đặt thích hợ p để cho ảnh rõ nét.- Muốn chụ p hoặc quay phim chỉ việc đặt máy ảnh (hay máy quay) vào vị trí

của mắt quan sát và điều chỉnh đượ c ảnh thật của vật hiện lên phim ảnh giống như

ảnh hiện lên võng mạc của mắt khi quan sát (Hình 9.17).

9.2.5. Kính hiển vi điện tử

Theo lý thuyết lượ ng tử, các chùm hạt vi mô chuyển động vớ i vận tốc cao

(xấ p xỉ vận tốc ánh sáng) đượ c gắn vớ i một sóng liên k ết- sóng Dơ br ơ i (Louis de

Broglie) đượ c xác định theo công thức.

hλ=

m.v (9.12)

Trong đó: h là hằng số Plăng (Planck)

m là khối lượ ng của vi hạt.

v là vận tốc của vi hạt.

Hình 9.17. Chiế u và chụ p bằ ng kính hiể n vi




81

Trong kính hiển vi điện tử vật nghiên cứu đượ c chiếu bằng chùm tia điện tử

chuyển động nhanh. Điện tử từ nguồn phát điện tử tr ướ c khi chiếu vào mẫu đượ c

gia tốc trong một điện tr ườ ng r ất mạnh tạo bở i một điện áp từ vài chục đến hàng tr ăm KV.

21e.U= m.v

2 (9.13)

Từ (9.12) và (9.13) suy ra:h

λ=2.m.e.U

(9.14)

Trong đó: e là điện tích của điện tr ườ ng; U là điện áp tăng tốc điện tử

Từ (9.14) ta thấy muốn làm giảm λ thì phải tăng U. Thí dụ, vớ i U = 60KV

thì λ = 5.p.m; U = 100KV thì λ = 3p.m (1p.m=10-12m).

Như vậy chùm điện tử có bướ c sóng nhỏ hơ n bướ c sóng của tia tử ngoại

hàng tr ăm nghìn lần. Ngh ĩ a là năng suất phân ly của kính hiển vi điện tử lớ n hơ n

năng suất phân ly của kính hiển vi điện tử có thể phân giải đượ c hai điểm có

khoảng cách nhỏ tớ i 2-3 p.m. Kính hiển vi điện tử có độ phóng đại từ vài tr ăm đến

hàng triệu lần). Vì thế dùng kính hiển vi điện tử loại tốt có thể nhìn thấy kích thướ c

vật cỡ phân tử.

9.2.5.1. C ấ u t ạo kính vàs ự t ạo ảnh

Về nguyên tắc chung giống kính hiển vi quang học, song khác ở chỗ nguồn

phát bức xạ chiếu vào mẫu vật là nguồn phát điện tử và các thấu kính là các "thấu

kính điện tử" (sẽ trình bày ở phần

dướ i đây). Để quan sát ảnh của vật,

ngườ i ta dùng màn huỳnh quang hay

phim ảnh.

Mẫu vật đượ c đặt trong chân

không để tránh hiện tượ ng tán xạ của

electron trong không khí và làm tăng

độ tươ ng phản (Hình 9.18) là sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc tạo ảnh của

kính hiển vi điện tử.

Chùm electron đượ c phát ra

từ sợ i đốt (1) bằng kim loại tr ướ c khi Hình 9.18. S ơ đồ cấ u t ạo của kính hiể n vi

quang học và kính hiể n vi đ iện t ử




82

đi vào thấu kính từ hội tụ (2) đã đượ c gia tốc ở vùng A có điện áp U = 60KV. Sau

khi đi qua thấu kính mẫu vật, chùm điện tử đi vào thấu kính từ (3) (có vai t rò như

thị kính) sẽ tạo ảnh A2B2 của A1B1. Màn huỳnh quang E sẽ ghi ảnh A2B2.

9.2.5.2. Th ấ u kính đ i ện t ử

- Thấu kính t ĩ nh điện: Đó là một tụ điện mà hai bản cực là hai lướ i kim loại

tạo thành hai mặt cong đồng tâm(Hình 9.19). Điện tử sau khi xuyên qua các lỗ của

lướ i sẽ đi vào vùng có tác dụng của điện tr ườ ng, điện tr ườ ng sẽ làm thay đổi hướ ng

truyền của điện tử làm cho tia điện tử song song tr ục chính sẽ hội tụ tại tiêu điểm.

- Thấu kính từ: Đó là cuộn dây hình Solenoid đượ c bọc trong một vỏ thép

(Hình 9.20). Cuộn dây có cấu tạo để từ tr ườ ng chỉ xuất hiện trong vùng E. Khi có

dòng điện chạy qua cuộn dây thì ở vùng E xuất hiện từ tr ườ ng có cườ ng độ H.

Chùm điện tử phát ra từ nguồn phát xạ điện tử A sau khi đi qua thấu kính sẽ hội tụ tại A' do tác dụng của từ tr ườ ng H.

9.2.5.3. Vai trò c ủa kính hi ể n vi đ i ện t ử trong ngh iên c ứ u y sinh h ọc

Do khả năng phân ly lớ n hơ n r ất nhiều lần so vớ i kính hiển vi quang học nên

kính hiển vi điện tử đượ c dùng để nghiên cứu các đối tượ ng vi mô, không những ở

mức độ tế bào mà còn ở mức phân tử như các acid, acid amin, protein…Nhờ kính

hiển vi điện tử chúng ta quan sát đượ c một số đại phân tử cấu tạo nên các tế bào

như collagen trong tổ chức liên k ết, một số vi rút. K ết hợ p vớ i phươ ng pháp tự chụ p hình phóng xạ, có thể nghiên cứu mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng

một số tế bào sống.

Hình 9.19. Thấ u kính t ĩ nh đ iện Hình 9.20. Thấ u kính t ừ




83

Chươ ng 10

BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

10.1. THUYẾT SÓNG ĐIỆN TỪ VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

Từ năm 1865, Maxwell đã k ết luận r ằng ánh sáng là sóng điện từ. K ết luận

này đượ c thực nghiệm chứng minh là đúng.

Theo thuyết sóng điện từ, ánh sáng truyền đến một điểm đượ c đặc tr ưng bằng

2 vectơ tại điểm đó: vectơ cườ ng độ điện tr ườ ng E

và vectơ cườ ng độ từ tr ườ ng H

.

Hai vectơ này vuông góc vớ i nhau và vuông góc vớ i phươ ng truyền ánh sáng, chúng

có giá tr ị thay đổi theo thờ i gian. Tr ườ ng hợ p đơ n giản nhất có thể biểu diễn:

E E cos( t )ω α = +0

H H cos( t )ω α = +0

(10.1)

Giả sử trên tr ục toạ độ Oxyz tại O có ánh sáng truyền tớ i và ở đó vectơ E

,

H

thay đổi theo quy luật trên, ánh sáng truyền đi tiế p theo phươ ng Ox, biều diễn sự

biến thiên của E

trong mặt phẳng xOy, H

trong mặt phẳng xOz (hình 10.1). E0 và

H0 là biên độ dao động của các vectơ cườ ng độ điện tr ườ ng và từ tr ườ ng, ω là tần số,

góc α là pha ban đầu. Khi ánh sáng truyền đến điểm M nào đó cách O một khoảng x

thì tại đó cườ ng độ điện tr ườ ng E

và cườ ng độ từ tr ườ ng H

thay đổi theo quy luật:

x E E cos (t )

vω α

⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

0

x H H cos (t )

vω α

⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

0

(10.2)

Hình 10.1

0

z

x

y

E

v

H




84

v là tốc độ lan truyền ánh sáng của môi tr ườ ng chứa hai điểm O và M.

Khi ánh sáng truyền đến mắt ta chỉ có thành phần điện tr ườ ng gây cảm giác

sáng, còn thành phần từ tr ườ ng không gây cảm giác sáng nên khi ta xét tươ ng tác

của ánh sáng vớ i nguyên tử, phân tử vật chất ta chỉ cần quan tâm đến thành phần

điện tr ườ ng. Biểu thức: x

E E cos (t )v

ω α ⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

0

Trong đó:

f - tần số ánh sáng

ω = 2 πf

λ - bướ c sóng

λ.f = v (10.3)

E

khi ấy gọi là véc tơ sáng.

Khi ánh sáng truyền trong chân không, nó có tốc độ cực đại, ký hiệu là c

(c=300.000 km/s). Gọi bướ c sóng ánh sáng trong chân không là λ0 ta có:

λ0.f = c (10.4)

Biểu thức (10.3) và (10.4) cho ta thấy là ánh sáng có tần số càng lớ n thì bướ c

sóng càng nhỏ và ngượ c lại. Từ (10.4) và (10.3) ta có:

f cn

f v

λ λ

λ λ

= = =0 0 (10.5)

n gọi là chiết suất của môi tr ườ ng. Biểu thức này cho ta thấy bản chất của

chiết suất môi tr ườ ng. Để đơ n giản, sau này khi nói đến bướ c sóng ta hiểu đó là

bướ c sóng trong chân không.

Ngườ i ta cũng có: cε μ

=0 0

1

Vớ i ε0 là hằng số điện môi còn μ0 là độ từ thẩm của chân không.

, . .SI ε −= 12

08 84 10 ; , . .SI μ −= 6

012610

Cườ ng độ trung bình tại một điểm của sóng điện từ (hoặc ánh sáng) truyền

tớ i đượ c tính theo công thức:

o I .c.Eε = 20

1

2




85

Trong quang phổ học, đặc biệt là quang phổ miền hồng ngoại ngườ i ta dùng

một đại lượ ng khác đó là số sóng, ký hiệu là f

λ

11==

c f

Dựa vào số đo của λ ngườ i ta quy ướ c sóng điện từ chia thành thang sóng

như sau:

B ảng 7.1

Loại sóng (tính trong chân không)

Sóng vô tuyến điện 3.106 cm ÷ 10-1 cm

Tia hồng ngoại 10-1 cm ÷ 0,76 μm

Ánh sáng nhìn thấy 0,76 μm ÷ 0,39 μm

Tia tử ngoại 0,39 μm ÷ 10-2 μmTia R ơ nghen 10-2 μm ÷ 10-5 μm

Tia gama 10-5 μm ÷ tr ở xuống

Đối vớ i miền ánh sáng nhìn thấy, mỗi chùm ánh sáng có bướ c sóng xác định

gây nên một cảm giác màu sắc nhất định, ngượ c lại vớ i mỗi màu đơ n sắc tươ ng ứng

vớ i một vùng bướ c sóng hẹ p. Bảng 7.2 cho ta quan hệ tươ ng đối giữa các màu đơ n

sắc và bướ c sóng.

B ảng 7.2

Màu sắc Bướ c sóng (μm)

Đỏ 0,76 ÷ 0,63

Da cam 0,63 ÷ 0,60

Vàng 0,60 ÷ 0,57

Lục (xanh lá cây) 0,57 ÷ 0,50

Lam (xanh da tr ờ i) 0,50 ÷ 0,45Chàm (xanh biển đậm) 0,45 ÷ 0,43

Tím 0,43 ÷0,39

Tính chất sóng của ánh sáng thể hiện rõ ràng qua hiện tượ ng giao thoa, nhiễu

xạ và phân cực ánh sáng.




86

10.2. HIỆN TƯỢ NG GIAO THOA ÁNH SÁNG

10.2.1. Thí nghiệm của Young về giao thoa ánh sáng

Năm 1802 Young đã làm thí nghiệm sau:

Đặt một nguồn sáng điểm S tr ướ c màn chắn sáng P trên đó có đục hai lỗ tròn

S1 và S2 gần nhau, sau màn chắn P đặt màn ảnh Q (Hình 10.2)

Thí nghiệm cho biết:

- Khi S1 và S2 có kích thướ c lớ n thì trên màn Q chỉ có hai vệt sáng a và b

nằm ở trên đườ ng thẳng kéo dài SS1, SS2. ánh sáng đi qua S1 và S2 tuân theo định

luật truyền thẳng của ánh sáng.

- Khi S1 và S2 có kích thướ c khá bé chỉ khoảng vài phần nghìn khoảng cách

từ S1, S2 đến màn Q thì có hiện tượ ng trên màn Q xuất hiện những vân sáng, tối

nằm xen k ẽ nhau và đối xứng vân sáng ở giữa tại O (xem hình 10.2). Hiện tượ ngnày gọi là sự giao thoa của ánh sáng. Khi các sóng truyền tớ i và giao nhau tại một

điểm trong môi tr ườ ng truyền sóng, tại vùng không gian có các sóng sáng giao nhau

xuất hiện các miền sáng tối xen k ẽ nhau.

Vận dụng các định luật

của quang hình không giải

thích đượ c hiện tượ ng này.

Tuy nhiên vớ i quan điểmquang học sóng cho r ằng ánh

sáng là sóng điện từ thì lại giải

thích đượ c hiện tượ ng trên.

Thật vậy, theo nguyên lý

Huyghens - Fresnel hai lỗ nhỏ

S1 và S2 nhận ánh sáng từ

nguồn sáng S truyền tớ i đượ c

xem như là hai nguồn sáng điểm thứ cấ p phát ra sóng ánh sáng về phía tr ướ c nó.

Theo nguyên lý về sự chồng chất của sóng thì dao động sáng tại một điểm bất k ỳ

trên màn Q sẽ là dao động tổng hợ p của các dao động sáng từ nguồn sáng thứ cấ p S1

và S2 gửi tớ i điểm đó. Tùy theo hiệu số pha của các dao động sáng này mà tại điểm

ta đang xét sẽ sáng hoặc tối.

Hình 10.2

S

P

S1

S2

Q

a

b

V©n s¸ng

V©n tèiNguåns¸ng




87

10.2.2. Đi ều ki ện để có giao thoa ánh sáng

Thí nghiệm về hiện tượ ng giao thoa cho thấy không phải tất cả các tr ườ ng

hợ p hai sóng giao nhau đều gây nên hiện tượ ng giao thoa. Muốn có giao thoa thì hai

sóng sáng giao nhau tại một điểm nào đó trong không gian phải có cùng chu k ỳ T0

và cùng phươ ng dao động. Phươ ng trình dao động của hai sóng sáng tại điểm giao

nhau sẽ là:

E E cos( t ) T

π α = +1 01 1

0

2 (10.6)

E E cos( t ) T

π α = +2 02 2

0

2 (10.6’)

E1 và E2 là giá tr ị của hai véc tơ sóng sáng tại điểm giao nhau ở thờ i điểm t.

Theo nguyên lý chồng chất các sóng thì điểm giao nhau có sóng sáng tổnghợ p bằng tổng hợ p các sóng sáng tớ i. Vì các sóng sáng có cùng chu k ỳ và cùng

phươ ng dao động nên có thể áp dụng k ết quả tính toán của tổng hợ p các dao động

cơ học. Ta có phươ ng trình dao động của sóng sáng tổng hợ p như sau:

E E E E cos( t ) T

π α = + = +1 2 0

0

2 (10.7)

trong đó biên độ dao động E0 đượ c xác định theo công thức:

E E E E .E cos( )α α = + + −2 2 2

0 01 02 01 02 1 22 (10.8)(α1 - α2) là hiệu số pha ban đầu của hai dao động sáng thành phần.

Pha ban đầu (α) của dao động sáng tổng hợ p đượ c xác định theo công thức:

E sin E sintg

E cos E cos

α α α

α α

+=

+01 1 02 2

01 1 02 2

(10.9)

vì I = E20 nên k ết hợ p vớ i (7.9) ta có:

I E E E E .E cos( )α α = = + + −2 2 20 01 02 01 02 1 22 (10.10)

Từ công thức (10.9) ta thấy cườ ng độ ánh sáng tại điểm mà hai sóng sáng

giao nhau phụ thuộc vào hiệu số pha ban đầu:

- Hiệu số pha ban đầu (α1 - α2 ) không thay đổi theo thờ i gian.

Khi đó cườ ng độ sáng I tại điểm hai sóng sáng giao nhau có giá tr ị hoàn toàn

xác định, giá tr ị của cườ ng độ sáng lớ n hay nhỏ tuỳ thuộc vào giá tr ị của hiệu số pha




88

ban đầu (α1 - α2). Vì vậy trong vùng không gian có giao thoa ánh sáng sẽ có điểm

sáng hơ n hay tối hơ n.

- Hiệu số pha (α1 - α2) phụ thuộc vào thờ i gian và luôn thay đổi hỗn loạn.

Khi đó cos(α1 - α2) có thể có giá tr ị từ -1 đến +1, giá tr ị trung bình của

cos(α1 - α2) tính theo thờ i gian bằng không nên I E E= +2 201 02 , như vậy cườ ng độ

sáng tại mọi điểm khác nhau sẽ có cườ ng độ như nhau do đó sẽ không có hiện

tượ ng giao thoa ánh sáng.

Tóm lại điều kiện để có giao thoa là hai sóng sáng giao nhau phải là hai sóng

sáng k ết hợ p (có cùng chu k ỳ, có hiệu số pha ban đầu không đổi theo thờ i gian) và

có cùng phươ ng dao động. Những nguồn phát ra các sóng k ết hợ p gọi là những

nguồn k ết hợ p.

10.2.3. Đi ều ki ện để có c ự c đại vàc ự c ti ể u giao thoa

Giả sử có nguồn sáng S phát ra ánh sáng truyền qua nhiều môi tr ườ ng khác

nhau về chiết suất. B1 và B2 là các nguồn phát sáng thứ cấ p phát ra các sóng sáng

k ết hợ p, hai sóng sáng k ết hợ p phát ra từ B1 và B2 truyền đến M và giao nhau tại đó.

Ta tìm điều kiện để cườ ng độ sáng tại M là lớ n nhất hay nhỏ nhất.

Như vậy ta đã biết tại M có sự giao thoa của hai sóng sáng. Phươ ng trình dao

động sáng tại điểm S có dạng:

E E cos( t ) T

π α = +0

0

2 (10.11)

Gọi L1 là quang lộ của tia sáng

thứ nhất trên đoạn đườ ng SA1B1M và

L2 là quang lộ của tia thứ hai trên đoạn

SA2B2M.

Ta đã biết quang lộ L của tia

sáng trên một đoạn đườ ng đượ c xácđịnh theo công thức L = c.t vớ i c là vận tốc của sóng truyền trong chân không, t là

thờ i gian ánh sáng đi qua hết đoạn đườ ng đó. Như vậy khoảng thờ i gian để tia sáng

thứ nhất đi hết đoạn đườ ng SA1B1M là τ1 = L1/c và tia thứ hai đi hết đoạn đườ ng

SA2B2M mất khoảng thờ i gian là τ2 = L2/c. Phươ ng trình dao động sáng tại M ở

thờ i điểm t do tia sáng thứ nhất và thứ hai gửi tớ i sẽ là:

S

A1B1

A2B2

M

(1) (2) (3)

H×nh 7.3

Hình 10.3




89

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+−= 1

0

1

00111

0011 2cos

2cos α

λ π α τ

π L

T

t E t

T E E

(10.12)

( ) ⎥

⎦

⎤⎢

⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ −=⎥

⎦

⎤⎢

⎣

⎡+−= 2

0

2

00222

0022 2cos

2cos α

λ π α τ

π L

T

t E t

T E E

(10.13)

Ở đây λ0 = c.T0 là bướ c sóng của ánh sáng truyền đi trong chân không. Tại

M sẽ có sự tổng hợ p của hai dao động sáng này. Để cho đơ n giản ta giả thiết hai

sóng sáng sẽ có cùng biên độ (E01 = E02 = E0) và cùng phươ ng trình dao động, do đó

ta có:

E = E1 + E2

L L L Lt

E .E cos( ).cos ( ) T

α α α α

π π λ λ

⎡ ⎤− − + +

= + − +⎢ ⎥⎣ ⎦

2 1 1 2 2 1 1 2

00 0 02 22 2 2

Từ công thức trên ta thấy dao động sáng tổng hợ p có biên độ là:

L L E cos( )

α α π

λ

− −+2 1 1 2

0

0

22

Ta đã biết cườ ng độ sáng I tỷ lệ vớ i bình phươ ng biên độ, do đó ta có:

L L I E cos ( )

α α π

λ

− −= +2 2 2 1 1 2

0

0

42

Vớ i các sóng sáng k ết hợ p khi giao thoa sẽ có α1 - α2 không thay đổi theothờ i gian do đó cườ ng độ sáng tại M chỉ phụ thuộc vào hiệu quang lộ L2 - L1

Nếu α1 = α2 = 0 thì cườ ng độ ánh sáng tại M đượ c xác định theo công

thức sau:

L L I E co s ( )π

λ

−= 2 2 2 1

0

0

4 (10.14)

Ta ký hiệu L2 - L1 = Δ , biểu thức (7.14) sẽ đượ c viết lại như sau:

I E cos ( ) E ( cos )π π λ λ Δ Δ= = +2 2 2

0 0

0 0

24 2 1 (10.15)

Đại lượ ng δ =. .π

λ

Δ

0

2 là hiệu số pha của hai sóng tại M. Từ biểu thức (10.15)

ta có:

- Nếu δ = 2k π hay Δ = k λ0 (10.16)




90

Thì cườ ng độ sáng sẽ có giá tr ị cực đại và bằng I max = 4 E20

Vậy: cườ ng độ sáng sẽ có giá tr ị cực đại tại những điểm mà hiệu số pha của

hai sóng tại đó bằng một số chẵn lần của π hay hiệu quang lộ của chúng là một số

nguyên lần bướ c sóng.

- Nếu δ = (2k+1)π hay Δ = (2k +1)λ 0

2 (10.17)

Thì cườ ng độ sáng sẽ có giá tr ị cực tiểu và bằng không: Imin = 0

Vậy: cườ ng độ sáng sẽ có giá tr ị cực tiểu tại những điểm mà hiệu số pha của

hai sóng tại đó bằng một số lẻ lần của π hay hiệu quang lộ của chúng là một số lẻ

lần của nửa bướ c sóng.

Các biểu thức (7.16) và (7.17) là điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao

thoa, k là số nguyên có thể lấy giá tr ị 0, ±1, ± 2... và đượ c gọi là bậc giao thoa. Rõ

ràng r ằng nếu hai sóng giao thoa cùng pha thì cườ ng độ sáng tại M đượ c tăng cườ ng

còn tr ườ ng hợ p hai sóng giao thoa ngượ c pha thì cườ ng độ sáng tại M sẽ giảm đi.

Tr ườ ng hợ p E01 ≠ E02 thì cườ ng độ ánh sáng tại M đượ c biểu diễn bở i công

thức sau:

00201

202

201

20

2cos2

λ

π Δ++== E E E E E I

( ) ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+−=

0

20201

20201 cos4

λ

π E E E E I

Nếu: Δ = k λ thì max I (E E )= + 201 02

Δ = (2k+1) λ0/2 thì max I (E E )= − 201 02

10.2.4. H ình d ạng vàv ị trícác vân giao thoa

- Hình d ạng các vân giao thoa:

Giả sử có hai sóng phát ra từ hai nguồn k ết hợ p S1 và S

2 tớ i giao nhau tại M

trên màn ảnh Q, đặt L1 = S1M và L2 = S2M (Hình 10.4)

Như ta đã biết, điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao thoa là:

L2 - L1 = k λ0

L2 - L1 = (2k +1)λ0/2 (10.18)

Vớ i k = 0, ±1, ± 2... là bướ c sóng truyền trong chân không.




91

Theo hình học giải tích thì quỹ tích của những điểm trong không gian có hiệusố khoảng cách tính từ chúng tớ i hai điểm cố định cho tr ướ c bằng một số không đổi

là một mặt Hybecbôn tròn xoay hay còn gọi là mặt Hypecbôloit, có hai tiêu điểm là

hai điểm cố định đó. Khi xác định các cực đại và các cực tiểu giao thoa theo công

thức (7.18) là thấy tậ p hợ p các cực tiểu giao thoa nằm trên họ mặt hypecbôn tươ ng

ứng các giá tr ị khác nhau của k và nhận S1, S2 làm tiêu điểm (hình 10.5). Các họ

mặt Hypecbôn xác định các điểm sáng cực đại và cực tiểu nằm xen k ẽ nhau và đối

xứng qua mặt phẳng R là mặt phẳng trung tr ực của S1 và S2. Nếu cắt các mặthypecbôn bằng một mặt phẳng trùng vớ i màn ảnh Q thì mặt phẳng này sẽ cắt mặt

phẳng R theo đườ ng vuông góc vớ i S1, S2 và cắt các mặt hypecbôn theo những

đườ ng hypecbôn. Những đườ ng hypecbôn này có cườ ng độ sáng tối nằm xen k ẽ

nhau và đối xứng nhau qua giao tuyến của hai mặt phẳng R và Q.

Các đườ ng hypecbôn sáng tối này là các vân giao thoa. Vì khoảng cách S1,

S2 ≈ 1mm nên các mặt hypecbôn r ất hẹ p, do đó các vân giao thoa có độ cong r ất bé.

Thực tế khi quan sát ảnh giao thoa ở khoảng hẹ p nên các vân giao thoa có dạng các

đườ ng thẳng song song và cùng vuông góc vớ i mặt phẳng S1S2O.

Hình 10.5

S1

S2

Q

(R)

Hình 10.4

S1

L1

M

x

H

O2

L2

O1

S2 D




92

- V ị trí của các vân giao thoa: Để xác

định vị trí của các vân giao thoa, ta tính

khoảng cách x = O2 M. Gọi khoảng cách

S 1 S 2 = d và PQ = D

Xét các tam giác S1H1M và

S2H2M ta có:d

L D (x )= + −2 2 21

2

d L D (x )= + +2 2 2

22

(10.19)

Từ công thức 7.19 ta có:

L L xd − =2 22 1 2

(L L )(L L ) xd − + =2 1 2 1 2 xd

(L L )(L L )

− =+2 1

2 1

2 (10.20)

Vì thí nghiệm bố trí để D >> d và điểm M xét gần O2 các tia S1M và S2M có

độ nghiêng r ất bé so vớ i phươ ng O1O2. Vì thế có thể coi 2 1 2+ ≈ L L D và do vậy

công thức (7.20) đượ c viết :

x

D

d L L ≈− 12 (10.21)

K ết hợ p vớ i điều kiện để có cực đại giao thoa (7.7) và các cực tiểu giao thoa

(7.8) ta có:

max

d X k

D λ = 0 max

D X k

d

λ = 0 (10.22)

min

d X ( k )

D

λ = + 02 1

2

( )d

Dk X mim

0

2

12 λ ⋅

+= (10.23)

Khi k = 0 thì xmax = 0 nên tại điểm O2 ta có vân sáng gọi là vân sáng giữa,

những vân sáng và tối khác xen k ẽ nhau và đối xứng qua vân sáng giữa. Từ (10.22)

và (10.23) cho thấy khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiế p bằng

Di

d

λ = 0 ; i rõ ràng là không phụ thuộc vào k mà tỉ lệ vớ i bướ c sóng λ0 trong chân

không (ánh sáng đơ n sắc). Trong tr ườ ng hợ p ánh sáng đơ n sắc có λ0 khác nhau thì i

M

H 1

O2

H 2

L2

L1

DS 2

O1

S 1

Hình 10.6

P Q

d




93

sẽ thay đổi do vậy nếu S1 và S2 phát ra ánh sáng tr ắng thì mỗi ánh sáng đơ n sắc cho

một hệ thống giao thoa vớ i màu sắc khác nhau. Những vân màu có cùng giá tr ị của

k sẽ hợ p thành vân sáng nhiều màu, tuy nhiên vân ở giữa vẫn là vân sáng tr ắng vì

tại đó có sự chồng chất của tất cả các vân sáng có màu khác nhau.

10.3. HIỆN TƯỢ NG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

10.3.1. Hi ện t ượ ng nhi ễ u x ạ ánh sáng

10.3.1.1. Thí nghiệm của Fresnel về hiện t ượ ng nhiễ u xạ.

Ánh sáng từ nguồn điểm S truyền qua

lỗ tròn trên màn chắn P (hình 10.7)

- Nếu lỗ tròn trên màn P có khích

thướ c tươ ng đối lớ n thì trên màn ảnh Q sau P

ta thu đượ c một vệt sáng tròn có kích thướ cab, như vậy ánh sáng từ S đã truyền qua lỗ

trên P tuân theo đúng định luật truyền thẳng

của ánh sáng.

- Khi thu nhỏ lỗ tròn trên P thì kích

thướ c lỗ tròn ab cũng thu nhỏ lại. Trong tr ườ ng hợ p kích thướ c của lỗ tròn khá bé

(vào khoảng vài phần nghìn của khoảng cách từ nó tớ i nguồn sáng S) thì ta thấy

trên màn ảnh Q xuất hiện nhiều vòng tròn sáng tối đồng tâm và xen k ẽ nhau, k ể cả trong cùng bóng tối hình học a’, b’. Tâm điểm của các vòng tròn sáng tối có thể

sáng hoặc tối tuỳ thuộc vào kích thướ c lỗ tròn và vị trí của màn ảnh Q.

Hiện tượ ng các vân sáng, tối xuất hiện cả ở vùng bóng tối hình học chứng tỏ

ánh sáng đã lệch khỏi phươ ng ban đầu.

10.3.1.2. Định nghĩ a nhiễ u xạ ánh sáng

Hiện tượ ng các tia sáng bị lệch khỏi phươ ng truyền thẳng trong môi tr ườ ng

đồng tính khi chúng đi gần các vật chướ ng ngại, tạo nên các vân sáng tối trong cả

vùng bóng tối hình học đượ c gọi là hiện tượ ng nhiễu xạ ánh sáng. Các vân sáng, tối

xen k ẽ nhau đượ c gọi là vân nhiễu xạ.

Các vật cản để gây nên hiện tượ ng nhiễu xạ có thể là các khe hở hình chữ

nhật, lỗ tròn có kích thướ c khá bé hoặc các đoạn dây kim loại mảnh. Dựa vào

nguyên lý Huyghen - Fresnel ta có thể giải thích đượ c hiện tượ ng nhiễu xạ như sau:

Hình 10.7

S

b'

b

a

a'

Q

P




94

Mỗi điểm của lỗ tròn nhận đượ c ánh sáng từ nguồn sáng điểm S gửi tớ i đượ c coi là

nguồn sáng thứ cấ p, phát ra các sóng ánh sáng truyền đến điểm M bất k ỳ trên màn

Q, dao động sáng tại M sẽ là một dao động tổng hợ p của các dao động sáng thành

phần do các nguồn sáng thứ cấ p gửi tớ i. Tuỳ theo hiệu số pha giữa các dao động sáng

này mà điểm M có thể sáng hoặc tối.

10.3.1.3. Nhiễ u xạ của sóng phẳ ng

Ở trên ta xét hiện tượ ng nhiễu xạ của các sóng cầu do nguồn sáng điểm nằm

gần các vật chướ ng ngại gây ra. Bây giờ ta xét tr ườ ng hợ p các nguồn sáng ở r ất xa

vật cản, thì sóng sáng phát ra từ các nguồn đó đượ c coi là các sóng phẳng và hiện

tượ ng nhiễu xạ xảy ra ở khá xa vật cản khi ánh sáng truyền qua gọi là nhiễu xạ ở vô

cực hay còn gọi là nhiễu xạ Fraunhopher. Hiện tượ ng nhiễu xạ ở vô cực có thể xảy

ra khi cho các chùm tia sáng song song (các sóng phẳng) đi qua một khe hẹ p hìnhchữ nhật có chiều dài vô hạn hoặc hai khe hẹ p song song, nhiều khe hẹ p song song

và qua một khe hở là một lỗ tròn có đườ ng kính khá bé. Trong phần này chủ yếu ta

xét đến hiện tượ ng nhiễu xạ qua một khe hẹ p, qua một lỗ tròn và các ứng dụng.

- Nhiễ u xạ qua một khe hẹ p

Một nguồn sáng điểm S đặt ở tiêu

điểm của thấu kính hội tụ L1 ánh sáng

phát ra từ S sau khi đi qua L1 sẽ là chùmtia sáng song song r ọi vuông góc vào

mặt phẳng của một khe hẹ p có bề r ộng là

b của màn chắn sáng P (hình 10.8).

Sau P đặt một thấu kính hội tụ L2

và màn ảnh Q trùng vớ i mặt phẳng tiêu

của L2. Cả L1, L2 và Q đều song song vớ i

P. Khi b r ất nhỏ so vớ i chiều dài khe thì chùm sáng song song khi truyền tớ i khe bị

nhiễu xạ theo mọi phươ ng. Các tia nhiễu xạ lệch một góc ϕ so vớ i phươ ng ban đầu

sẽ hội tụ tại điểm M trên mặt phẳng tiêu Q của thấu kính hội tụ L2, các chùm tia

nhiễu xạ khác nhau cũng sẽ hội tụ ở các điểm khác nhau trên màn Q k ết quả tạo

nên ảnh nhiễu xạ của nguồn sáng S. Vì S là nguồn điểm nên ảnh nhiễu xạ là một

Hình 10.8

S

L1

L2

P

Bo

B1H1

Σο

Q

M

xΣ1

Σ2

ϕ




95

dãy đoạn sáng ngăn cách nhau bằng các điểm tối đen nằm trên đườ ng thẳng x

vuông góc vớ i chiều dài khe.

Theo nguyên lý Huyghen - Fresnel các điểm sáng B0, B1, B2 ... của khe là các

nguồn phát sáng thứ cấ p thuộc các mặt kín ∑0, ∑1 ... Vì chiều r ộng khe là khá bé

nên chùm tia nhiễu xạ song song gặ p nhau ở M xa vô cùng nên ∑0, ∑1 ... đượ c coi

như các mặt phẳng song song và vuông góc vớ i chùm tia nhiễu xạ tại B0, B1, .... Các

mặt sóng phẳng có tâm là M có bán kính lớ n hơ n nhau một lượ ng:

B H λ

=01 1

2 (10.24)

Các mặt ∑0, ∑1 ... chia bề r ộng khe hẹ p thành dải khe hẹ p (đớ i phẳng

Fresnel) có bề r ộng là B0B1, B1B2 ... bằng nhau. Từ hình 7.8 ta thấy:

B H B Bsin sin

λ= =ϕ ϕ

1 1 00 1

2 (10.25)

Như vậy số dải Fresnel thuộc mặt khe sẽ là:

b b sinn

sin

ϕ= =

λ λϕ

0 0

2

2

(10.26)

+ Nếu khe chứa một số chẵn dải Fresnel ngh ĩ a là :

bsin

n k

ϕ

= =λ0

2

2 vớ i k = 0, ±1, ±2, ... (10.27)

thì điểm M sẽ là một điểm tối, gọi là cực tiểu nhiễu xạ. Từ (10.27) ta có:

sin k b

λϕ = 0 (10.28)

Vớ i k = 0 thì từ công thức (10.28) suy ra ϕ = 0 ngh ĩ a là chùm sáng phát ra từ

các nguồn sáng thứ cấ p sẽ cùng phươ ng vớ i chùm tia tớ i và hội tụ tại điểm giữa M0

trên màn Q đồng thờ i hiệu quang lộ giữa các cặ p tia đều bằng không, do đó sẽ cho

một cực đại sáng tại M0 có cườ ng độ sáng lớ n nhất gọi là cực đại nhiễu xạ giữa.

+ Nếu khe chứa một số lẻ dải Fresnel ngh ĩ a là:

bsinn k

ϕ= = +

λ0

22 1 vớ i k = 0, ±1, ±2,...




96

thì điểm M sẽ là một điểm sáng, gọi là cực đại nhiễu xạ và góc nghiêng ϕ

ứng vớ i các cực đại nhiễu xạ đượ c xác định theo công thức sau:

sin ( k )b

λϕ = + 02 1

2 Vớ i k = ±1, ±2, ... (10.29)

Những vấn đề trình bày trên là mô tả và giải thích đối vớ i tr ườ ng hợ p nhiễu

xạ qua một khe hẹ p của chùm sáng song

song phát ra từ nguồn sáng điểm S.

Trong tr ườ ng hợ p S là một khe sáng

song song vớ i khe hẹ p của màn chắn

sáng P thì ảnh nhiễu xạ trên Q sẽ là một

dãy vân sáng song song vớ i khe sáng S

và đi qua các cực đại nhiễu xạ nói trên,những vân sáng ngăn cách nhau bằng

những vạch tối đen.

Sự phân phối cườ ng độ sáng của các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ đượ c mô tả

trên hình (hình 10.9).

∗ Vân sáng giữa M0 có cườ ng độ sáng lớ n nhất và gấ p nhiều lần so vớ i cực

đại nhiễu xạ tiế p theo, các cực đại tiế p theo có cườ ng độ sáng giảm dần, nếu cực đại

giữa có cườ ng độ sáng là I0 thì cườ ng độ sáng của cực đại thứ nhất là I1= 0,047 I0 vàcực đại thứ hai là I2= 0,016 I0, …

∗ Bề r ộng của cực đại giữa gấ p đôi bề r ộng các cực đại nhiễu xạ khác k ể cả

hai phía của cực đại giữa.

Do hai đặc điểm trên của cườ ng độ sáng của các vân nhiễu xạ mà trong nhiều

tr ườ ng hợ p khi nghiên cứu ta chỉ quan tâm đến cực đại giữa ứng vớ i k = 0.

Từ sự phân tích ở trên ta thấy sự phân bố cườ ng độ sáng của vân nhiễu xạ

phụ thuộc vào phươ ng của chùm tia nhiễu xạ (ϕ). Do đó, khi dịch chuyển vị trí của

khe sao cho vân song song vớ i chính nó thì ảnh nhiễu xạ thụ đượ c trên màn Q

không thay đổi. Như vậy nếu chiếu một chùm tia sáng song song qua hai khe hẹ p

song song hay nhiều khe hẹ p song song vớ i nhau và có bề r ộng như nhau thì ảnh

nhiễu xạ của từng khe riêng biệt sẽ hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên ngoài sự nhiễu

xạ của từng khe còn có sự giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ các khe khác

Hình 10.9

I

Io

O-2λο

b-λοb

2λο

bbλο sinϕ




97

nhau, do vậy sẽ có sự phân bố lại cườ ng độ sáng và ảnh nhiễu xạ tr ở nên phức tạ p

hơ n. Do có hiện tượ ng giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ các khe khác nhau mà

có các cực đại chính khi các dao động sáng giao thoa cùng pha vớ i nhau và có các

cực tiểu phụ khi các sóng sáng giao thoa ngượ c pha nhau, tại những điểm trên màn

ảnh Q không có sóng sáng gửi đến là các cực tiểu chính. Bề r ộng các cực đại chính

giảm đi khi tổng số khe hẹ p tăng lên. Khi tổng số khe hẹ p r ất lớ n (vài nghìn khe tr ở

lên) thì các cực đại chính r ất mảnh, các cực đại phụ hầu như biến mất do vậy ảnh

nhiễu xạ chỉ là các vạch sáng nổi bật trên nền tối.

- Nhiễ u xạ qua một l ỗ tròn

Hiện tượ ng nhiễu xạ qua lỗ tròn có nhiều ứng dụng trong thực tế.

Ở thí nghiệm về hiện tượ ng nhiễu xạ qua

một khe hẹ p, nếu thay khe hẹ p có bề r ộng là b bằng một lỗ tròn nhỏ có bán kính r thì trên màn

ảnh Q sẽ thu đượ c ảnh nhiễu xạ là các vân sáng,

tối xen k ẽ và đồng tâm (Hình 7.10). ở giữa là vân

sáng trung tâm, có cườ ng độ sáng cực đại I0 =

Imax, tiế p theo là các vân tối, sáng xen k ẽ nhau.

Vân sáng thứ nhất có cườ ng độ sáng I1 =

0,0174Imax,… Như vậy càng ra xa vân trung tâmthì cườ ng độ sáng càng giảm dần. Bề r ộng của

các vân sáng cũng giảm dần, càng xa vân trung tâm càng hẹ p. Vân tối đầu tiên ứng

vớ i góc lệch ϕ1 đượ c xác định theo công thức sau:

R

λ ϕ 61,01sin = (10.30)

trong đó λ là bướ c sóng ánh sáng tớ i, R bán kính lỗ. Bán kính vân tối đầu

tiên đượ c gọi là bán kính ảnh nhiễu xạ (vân sáng trung tâm).

R

f .61,0 λ

ρ = (7.31)

vớ i f là tiêu cự của thấu kính L2

Hình 10.10




98

10.4. HI Ệ N T ƯỢ NG PHÂN C Ự C ÁNH SÁNG

10.4.1. Ánh sáng t ự nhiên

Theo thuyết điện từ ánh sáng, các nguyên tử

phát ra ánh sáng dướ i dạng những đoàn sóng điện từ

nối tiế p nhau. Trong mỗi đoàn sóng này, vectơ cườ ng

độ điện tr ườ ng E luôn luôn dao động theo một phươ ng

xác định vuông góc vớ i phươ ng truyền của tia sáng;

nhưng do sự chuyển động hỗn loạn bên trong nguyên

tử nên đoàn sóng do một nguyên tử phát ra có thể dao

động theo nhiều phươ ng khác nhau xung quanh tia

sáng; mặt khác nguồn sáng điểm ta xét dù r ất nhỏ cũng bao gồm nhiều nguyên tử,

do đó có thể nói r ằng ánh sáng tự nhiên là ánh sáng trong đó vectơ cườ ng độ điện

tr ườ ng E dao động một cách đều đặn theo tất cả mọi phươ ng vuông góc vớ i tia

sáng.

Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên, ta vẽ trong mặt phẳng vuông góc vớ i tia sáng

các véctơ E bằng nhau phân bố đều đặn xung quanh một đườ ng tròn có tâm trên tia

sáng (Hình 10.11).

10.4.2. Ánh sáng phân c ự c

Nếu cho ánh sáng tự nhiên đi qua một môi tr ườ ng bất đẳng hướ ng (ví dụ tinh

thể tuốcmalin, thạch anh...) thì trong những điều kiện nhất định nào đó, tác dụng

của môi tr ườ ng lên ánh sáng có thể làm cho các vectơ cườ ng độ điện tr ườ ng E chỉ

dao động theo một phươ ng xác định.

Ánh sáng trong đó vectơ cườ ng độ điện tr ườ ng E chỉ dao động theo một phươ ng

xác định đượ c gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần.

Nhưng cũng có những tr ườ ng hợ p tác dụng của môi tr ườ ng lên ánh sáng tự

nhiên đi qua và vẫn để cho vectơ cườ ng độ điện tr ườ ng dao động theo tất cả các

phươ ng vuông góc vớ i tia sáng nhưng có phươ ng mạnh, phươ ng yếu khác nhau.

Tr ườ ng hợ p này ánh sáng đượ c gọi là ánh sáng phân cực một phần.

H×nh 7.11

Tia s¸ng

Hình 10.11






100

Đầu tiên khi chưa r ọi ánh sáng vào điện cực catôt ta thấy kim điện k ế không

quay; nếu r ọi một chùm tia sáng tử ngoại qua cửa sổ bằng thạch anh vào điện cực K

thì thấy kim điện k ế quay, điều đó chứng tỏ trong mạch đã có dòng điện. Dòng điện

xuất hiện trong mạch gọi là dòng quang điện. Ta đã biết trong bóng đèn áp suất r ất

thấ p (10-6mmHg), môi tr ườ ng đượ c xem như chân không (không chứa bất k ỳ một

loại điện tích nào),như vậy chùm tia tử ngoại chiếu vào catôt K có tác dụng giải

phóng các điện tử khỏi bề mặt âm cực K. Các điện tử đượ c giải phóng gọi là quang

điện tử. Dướ i tác dụng của điện tr ườ ng giữa hai cực điện A và K, các quang điện tử

chuyển động có hướ ng từ âm cực K sang dươ ng cực A và tiế p tục đi vào mạch điện

tạo nên dòng quang điện không đổi Ia. Khi thay đổi cườ ng độ chùm tia tử ngoại và

hiệu điện thế giữa hai cực UAK , tiến hành đo cườ ng độ dòng quang điện Ia ngườ i ra

rút ra đượ c các nhận xét cơ bản sau:− Tia tử ngoại có hiệu quả nhất trong việc gây nên hiệu ứng quang điện.

− Cườ ng độ dòng quang điện Ia tăng tỉ lệ vớ i cườ ng độ chùm tia sáng r ọi vào

âm cực K.

− Chỉ có các vật tích điện âm mớ i mất điện tích khi bị r ọi sáng, còn các vật

tích điện dươ ng không bị ảnh hưở ng của ánh sáng r ọi tớ i. Như vậy điện tích bị bứt

ra khỏi mặt kim loại sẽ là điện tích âm.

− Hiệu ứng quang điện xảy ra tức thờ i, ngh ĩ a là dòng quang điện xuất hiệnđồng thờ i vớ i sự chiếu sáng.

10.5.1.2. Đườ ng đặc tr ư ng von - ampe

Khi nghiên cứu sự biến đổi của

cườ ng độ dòng quang điện Ia theo UAK

ta sẽ vẽ đượ c đườ ng cong biểu diễn Ia =

f(UAK ), đườ ng cong này gọi là đườ ng

đặc tr ưng von - ampe của kim loại làmâm cực K (Hình 10.14)

Từ đườ ng đặc tr ưng von - ampe

ta thấy nếu UAK tăng thì Ia cũng tăng

theo, tuy nhiên UAK > U1 (một giá tr ị Hình 10.14

a

bh

AK12

I

U

I

U-U




101

nào đó của UAK ) thì Ia không tăng nữa và có giá tr ị không đổi, lúc đó cườ ng độ dòng

quang điện đượ c gọi là bão hoà (I bh). Từ hình 10.14 cũng cho ta thấy r ằng khi hiệu

điện thế giữa A và K bằng không (UAK = 0), dòng quang điện vẫn có giá tr ị I0 và

chỉ bị triệt tiêu khi UAK có giá tr ị âm xác định (-U2), -U2 gọi là hiệu điện thế dừng,

phụ thuộc vào bản chất của kim loại và bướ c sóng ánh sáng r ọi vào kim loại đó. Các

giá tr ị hiệu điện thế UAK từ 0 đến U1 gọi là điện áp tăng tốc (tạo nên tr ườ ng gia tốc).

Dòng quang điện đạt giá tr ị bão hoà khi tất cả các quang điện tử đều bị hút về cực

dươ ng do vậy mà việc tiế p tục tăng UAK chỉ có thể làm tăng vận tốc của các quang

điện tử chứ không làm tăng thêm đượ c lượ ng các quang điện tử, điều có ngh ĩ a là

cườ ng độ dòng quang điện Ia không tăng đượ c nữa.

10.5.1.3. Các đị nh lu ật quang đ i ện

Khi tiến hành thí nghiệm vớ i những chùm ánh sáng đơ n sắc có bướ c sóng λ khác nhau r ọi vào các cực âm (K) làm bằng các kim loại khác nhau ngườ i ta tìm

đượ c các định luật quang điện sau:

- Định luật về giớ i hạn quang đ iện

Đối vớ i mỗi kim loại xác định hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bướ c sóng

λ của chùm ánh sáng đơ n sắc r ọi tớ i nó nhỏ hơ n giá tr ị xác định λ0; λ0 gọi là giớ i

hạn quang điện của kim loại đó (λ <λ0)

λ0 phụ thuộc vào bản chất của kim loại đượ c r ọi sáng và tr ạng thái mặt ngoàicủa kim loại. Theo định luật trên thì hiển nhiên r ằng vớ i những chùm ánh sáng đơ n

sắc có λ >λ0 và vớ i cườ ng độ ánh sáng r ất mạnh cũng không gây nên đượ c hiệu ứng

quang điện.

- Định luật về dòng quang đ iện bão hoà

Cườ ng độ dòng quang điện bão hoà I bh tăng tỉ lệ vớ i cườ ng độ của chùm ánh

sáng đơ n sắc r ọi tớ i kim loại.

- Định luật về động năng cự c đại của các quang đ iện t ử Động năng cực đại của các quang điện tử tăng tỉ lệ vớ i tần số của chùm ánh

sáng đơ n sắc r ọi tớ i kim loại và không phụ thộc vào cườ ng độ của chùm ánh sáng đó.

Để giải thích đượ c các định luật quang điện ngườ i ta phải dựa vào bản chất

của ánh sáng. Theo thuyết điện từ ánh sáng thì năng lượ ng ánh sáng đượ c truyền đi

liên tục theo sóng và cườ ng độ ánh sáng càng lớ n thì năng lượ ng sóng ánh sáng




102

mang theo càng nhiều. Như vậy vớ i quan điểm này sẽ không giải thích đựơ c định

luật về giớ i hạn quang điện (λ < λ0) vì ánh sáng r ọi vào kim loại chỉ cần có cườ ng

độ lớ n sẽ truyền đượ c nhiều năng lượ ng cho điện tử ở lớ p mặt ngoài kim loại để bứt

điện tử ra khỏi kim loại, do vậy không cần có điều kiện về giớ i hạn quang điện

trong mỗi kim loại, điều này không đúng vớ i thí nghiệm. Thuyết điện từ ánh sáng

cũng không giải thích đượ c tại sao động năng cực đại ban đầu của các quang điện tử

không phụ thuộc vào cườ ng độ của tr ườ ng sáng r ọi tớ i kim loại đó. Về thờ i gian

xuất hiện hiệu ứng theo thuyết điện từ ánh sáng phải mất vài chục phút nhưng thực

tế thí nghiệm thì khoảng thờ i gian k ể từ khi r ọi sáng vào kim loại cho đến khi xuất

hiện quang điện tử đầu tiên chỉ vào khoảng 10-9 s. Nếu chúng ta chỉ quan niệm bản

chất của ánh sáng là sóng điện từ thì hoàn toàn bất lực khi vận dụng nó để giải thích

các định luật quang điện.10.5.2. Thuyết lượ ng ánh sáng của Einstein và sự giải thích hiện tượ ng quang

điện

10.5.2.1. Thuy ế t l ượ ng t ử ánh sáng c ủa Ei nstein

Để khắc phục khó khăn của thuyết điện từ về bản chất ánh sáng khi vận dụng

để giải thích các định luật quang điện, vào năm 1905 Einstein đã dựa vào thuyết

lượ ng tử năng lượ ng của Planck để nêu lên một thuyết mớ i về bản chất ánh sáng

(Einstein vẫn thừa nhận thuyết điện từ ánh sáng) đó là thuyết lượ ng tử ánh sáng. Nội dung thuyết như sau:

- Ánh sáng gồm những hạt r ất nhỏ gọi là photon hay lượ ng tử ánh sáng. Mỗi

photon mang một năng lượ ng xác định là:

ε =h.f (7.32)

Trong đó h = 6,625.10-34 Js, gọi là hằng số Planck còn f là tần số của sóng

ánh sáng ứng vớ i photon đó.

− Trong chân không photon truyền đi vớ i một tốc độ xác định là c = 3.10

8

m/s. Mỗi photon truyền đi trong môi tr ườ ng thì có lưỡ ng tính sóng hạt vì theo

Einstein mỗi photon có tốc độ c, năng lượ ng ε = hf, khối lượ ng m (khối lượ ng

động, photon không có khối lượ ng t ĩ nh) đượ c xác định theo công thức ε = mc2 . K ết

hợ p vớ i (7.32) ta suy ra:




103

hf h h

p mcc cT

= = = =λ

(10.33)

Vớ i p = mc là động lượ ng của photon đặc tr ưng cho tính chất hạt, λ là bướ c

sóng đặc tr ưng cho tính chất sóng (sóng điện từ).

- Cườ ng độ của một chùm tia sáng sẽ tỉ lệ vớ i số photon phát ra từ nguồn

trong một đơ n vị thờ i gian.

10.5.2.2. Gi ải thích các đị nh lu ật quang đ i ện

- Giải thích định luật về giớ i hạn quang đ iện

Ở tr ạng thái bình thườ ng (khi chưa bị chiếu sáng) các điện tử bị giữ trong

kim loại. Khi bị r ọi sáng, mỗi điện tử sẽ hấ p thụ năng lượ ng ε =h.f của một photon

tớ i. Nếu phần năng lượ ng mà điện tử hấ p thụ đượ c lớ n hơ n công thoát điện tử A thì

điện tử bị bứt ra khỏi mặt ngoài kim loại. Như vậy điều kiện để có hiệu ứng quangđiện là:

ε = h.f ≥ A (10.34)

A f f

h≥ ≥ 0

Vìc

f =λ

;c

f =λ0

0

nênc c

≥λ λ0

hay 0

hc

Aλ λ < = (10.35)

Từ (10.35) ta thấy chùm sáng gây ra hiệu ứng quang điện phải có bướ c sóng

λ nhỏ hơ n một giá tr ị xác định,hc

Aλ =0 là giớ i hạn quang điện, chỉ phụ thuộc vào

công thoát điện tử A của kim loại, tức là phụ thuộc vào bản chất kim loại.

- Giải thích định luật về dòng quang đ iện bão hoà

Ta biết dòng quang điện tr ở nên bão hoà khi tất cả các quang điện tử đượ c

giải phóng ra khỏi mặt ngoài kim loại (âm cực K) đều chuyển động hết về dươ ng

cực A. Do số quang điện tử tỉ lệ vớ i số photon bị hấ p thụ, số photon này lại tỉ lệ vớ i

số photon tớ i, vì vậy cườ ng độ dòng quang điện bão hoà sẽ tỉ lệ vớ i số photon tớ i

tức là tỉ lệ vớ i cườ ng độ của chùm sáng r ọi tớ i âm cực K.

- Giải thích định luật về động năng cự c đại của quang đ iện t ử




104

Các điện tử của kim loại dùng làm âm cực K có thể ở sát ngay mặt ngoài hay

ở sâu bên trong kim loại. Các điện tử này đều có khả năng hấ p thụ toàn bộ năng

lượ ng của một photon khi kim loại bị r ọi sáng. Một phần năng lượ ng mà điện tử hấ p

thụ chủ yếu sinh công thoát điện tử (vì năng lượ ng xác định bở i chuyển động nhiệt

không đủ sinh công) một phần tạo nên động năng ban đầu của các quang điện tử.

Đối vớ i điện tử ở sâu bên trong do phải tiêu hao một phần năng lượ ng mà nó hấ p

thụ để chuyển động từ trong ra lớ p bề mặt kim loại do vậy mà động năng ban đầu

phải nhỏ hơ n so vớ i động năng ban đầu của điện tử ở ngay bề mặt kim loại. Vì vậy

vớ i các điện tử ở sát bề mặt kim loại khi bứt ra khỏi kim loại sẽ tr ở thành các quang

điện tử có động năng ban đầu là cực đại. Ta có:

E đ max A f hmv −== .

2

1 2max (10.36)

Phươ ng trình (10.36) đượ c gọi là phươ ng trình Einstein, nó cho biết Eđ max

ban đầu của quang điện tử chỉ phụ thuộc vào tần số của chùm ánh sáng r ọi tớ i bề

mặt kim loại.




105

Phần thứ năm: VẬT LÝ HẠT NHÂNChươ ng 11: PHÓNG XẠ HẠT NHÂN

11.1. HIỆN TƯỢ NG PHÓNG XẠ

11.1.1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Sau khi tổng k ết những tài liệu thực nghiệm về hạt nhân nguyên tử, năm 1932

Ivanenkô và Haidenbec (Werner Heisenberg) đưa ra giả thiết cho r ằng hạt nhân của

mọi nguyên tử đều đượ c cấu thành từ hai loại hạt như sau:

Proton (kí hiệu là p): là loại hạt mang điện dươ ng, về giá tr ị tuyệt đối đúng bằng

điện tích cơ bản tức là điện tích electron: 1,6.10-19C, và có khối lượ ng bằng khối

lượ ng hạt nhân hydro nhẹ (m p = 1,00759 đvnt; đvnt là đơ n vị khối lượ ng nguyên tử

và bằng 1,66.10-24

g). Nói khác đi hạt nhân của nguyên tử hydro nhẹ thực chất chỉ làmột hạt proton.

Neutron (kí hiệu là n): là loại hạt trung hoà về điện, có khối lượ ng lớ n hơ n khối

lượ ng của proton một ít (mn = 1,00898 đvnt). Cả hai loại hạt proton và neutron có

tên chung là nucleon (cấu tử hạt nhân). Số proton trong hạt nhân đúng bằng số thứ

tự Z trong bảng tuần hoàn Mendeleev của nguyên tố tươ ng ứng. Z cũng chính là

điện tích hạt nhân khi ta tính bằng đơ n vị điện tích nguyên tố. Tổng số các nucleon

có trong hạt nhân là số khối và kí hiệu là A. Do đó số neutron trong hạt nhân sẽ là N

= A - Z. Ngườ i ta thườ ng kí hiệu một hạt nhân nguyên tử như sau: X A

Z hay ZXA

trong đó X là kí hiệu của nguyên tố hoá học tươ ng ứng.

Thí dụ: Hạt nhân Hêli He 24 hoặc 2He4 (Z = 2, A = 4)

Hạt nhân Liti L i 73 hoặc 3Li7 (Z = 3, A = 7)

Những hạt nhân có cùng số Z nhưng có số N khác nhau (ngh ĩ a là cùng điện tích

nhưng khác nhau về khối lượ ng) đượ c gọi là những hạt nhân đồng vị và các nguyên

tố tươ ng ứng gọi là những nguyên tố đồng vị, chúng đượ c xế p vào cùng một ô trong

bảng tuần hoàn Menđêlêep. Chẳng hạn hydro có 3 đồng vị như sau: Hydro: 1H1,

deuteri: 1H2 (hoặc 1D

2, hoặc D), Triti: 1H3 (hoặc 1T

3, hoặc T). Thông thườ ng một

nguyên tố hoá học đều có những đồng vị khác nhau. Hiện nay ngườ i ta đã tìm thấy

hơ n 300 đồng vị tự nhiên và có gần 1000 đồng vị phóng xạ nhân tạo.




106

Các nucleon trong hạt nhân cũng đượ c đặc tr ưng bở i các số lượ ng tử xác định và

ứng vớ i những mức năng lượ ng xác định. Trong điều kiện bình thườ ng, hạt nhân ở

tr ạng thái cơ bản, ứng vớ i mức năng lượ ng thấ p nhất, gọi là mức năng lượ ng Eo.

Trong điều kiện có tác nhân kích thích, hạt nhân đượ c bổ sung năng lượ ng thích

hợ p, sự sắ p xế p các nucleon sẽ khác sự sắ p xế p ở tr ạng thái cơ bản, hạt nhân chuyển

sang tr ạng thái bị kích thích ứng vớ i mức năng lượ ng Ei (i = 1,2,3..., n) tất nhiên Ei

> E0. Ngườ i ta nhận thấy vớ i một loại hạt nhân xác định các giá tr ị của Ei là hữu hạn

và xác định. Trong điều kiện nào đó khi hạt nhân chuyển từ tr ạng thái bị kích thích

ứng vớ i mức năng lượ ng cao về một trong những tr ạng thái ứng vớ i mức năng

lượ ng thấ p hơ n, hạt nhân sẽ phát ra một photon có năng lượ ng đúng bằng hiệu số

hai mức năng lượ ng đó. Như vậy hạt nhân là một hệ lượ ng tử.

11.1.2. Hiện tượ ng phóng xạ 11.1.2.1. Đị nh ngh ĩ a hi ện t ượ ng phóng x ạ

Năm 1892 Beccơ ren (Henri Becquerel) đã quan sát thấy muối uran và những hợ p

chất của nó có tính phát ra những tia không nhìn thấy đượ c và có sức đâm xuyên

khá mạnh. Dùng phươ ng pháp điện từ tr ườ ng để phân tích thì thấy r ằng chùm tia đó

gồm 3 thành phần lần lượ t đượ c đặt tên là tia anpha (α) mang điện tích dươ ng, tia

beta (β) mang điện tích âm, và tia gamma (γ) không mang điện, tươ ng tự tia X. Về

sau ngườ i ta nghiên cứu sâu hiện tượ ng này, nhất là những công trình của Mari Curi(Marie Curie) và Pie Curi (Pierre Curie) đã chứng tỏ r ằng chùm tia đó phát ra từ hạt

nhân chứ không phải từ lớ p vỏ nguyên tử và đó là tính chất chung của một nhóm

các nguyên tố chứ không riêng gì uran. Ngườ i ta gọi tính chất đó của các nguyên tố

là tính phóng xạ.

Hiện t ượ ng phóng xạ là hiện t ượ ng hạt nhân nguyên t ử t ự biế n đổ i để tr ở thành hạt

nhân nguyên t ử của nguyên t ố khác, hoặc t ừ một tr ạng thái năng l ượ ng cao về một

tr ạng thái năng l ượ ng thấ p hơ n, trong quá trình biế n đổ i đ ó hạt nhân phát ra nhữ ng

tia không nhìn thấ y đượ c có năng l ượ ng cao g ọi là tia phóng xạ hay bứ c xạ hạt

nhân.

Nguyên tố hoá học mà hạt nhân của nó mang tính phóng xạ đượ c gọi là đồng vị

phóng xạ, những đồng vị phóng xạ do con ngườ i chế tạo ra bằng những phươ ng

pháp k ĩ thuật khác nhau gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo.




107

Để biểu diễn ngắn gọn hiện tượ ng phóng xạ của một đồng vị phóng xạ ngườ i ta

dùng sơ đồ phân rã phóng xạ. Trên sơ đồ ngườ i ta ghi ký hiệu của hạt nhân tr ướ c và

sau khi xảy ra hiện tượ ng phóng xạ, chu kì bán rã của quá trình và các phần tr ăm

xác suất của mỗi dạng phân rã. Tr ạng thái cơ bản của hạt nhân tr ướ c và sau hiện

tượ ng phóng xạ đượ c biểu diễn bằng vạch đậm nét nằm ngang, các tr ạng thái bị

kính thích của hạt nhân mớ i tạo thành sau phân rã đượ c biểu diễn bằng các vạch

đậm nằm ngang đậm nét, có ghi kèm theo giá tr ị của mức năng lượ ng tươ ng ứng.

Quá trình phân rã dẫn đến tạo thành hạt nhân mớ i có điện tích lớ n hơ n hạt nhân ban

đầu đượ c kí hiệu bằng mũi tên đi xuống và hướ ng về bên phải, nếu hạt nhân mớ i có

điện tích nhỏ hơ n hạt nhân ban đầu thì quá trình phân rã đượ c kí hiệu bằng mũi tên

đi xuống và hướ ng về bên trái; còn quá trình phân rã không làm thay đổi điện tích

của hạt nhân thì đượ c kí hiệu bằng mũi tên hình sóng, đi xuống và thẳng đứng.Khi xảy ra hiện tượ ng phóng xạ ở một hạt nhân, hạt nhân đó có thể chịu đượ c một

quá trình biến đổi hay nhiều quá trình biến đổi liên tiế p nhau hoặc đồng thờ i vớ i

nhau vớ i những xác suất nhất định. Mỗi quá trình biến đổi đó đượ c gọi là một phân

rã phóng xạ (gọi tắt là phân rã).

11.1.2.2. Các d ạng phân rã phóng x ạ. B ản ch ấ t các ti a phóng x ạ

Các dạng phân rã thườ ng gặ p là phân rã bêta âm, phân rã beta dươ ng, phân rã alpha

và phát xạ tia gamma từ hạt nhân:11.1.2.2.1. Phân rã beta âm - negatron ( β

- )

Vớ i những điều kiện nhất định, trong hạt nhân có những đồng vị có số nơ tron nhiều

hơ n số proton có thể xảy ra hiện tượ ng biến một neutron thành một proton đồng thờ i

phát ra một electron (hạt β -). Electron này đượ c sinh ra từ trong lòng hạt nhân và

không liên quan gì vớ i các electron quỹ đạo, tuy nhiên chúng là những hạt cơ bản

hoàn toàn đồng nhất.




108

Hình 11.1a biểu diễn sơ đồ chung của các loại phân rã này. Hình 11.1b là sơ đồ

phân rã phóng xạ của P32, một đồng vị phóng xạ phân rã β- thuần tuý, đượ c sử dụng

nhiều trong y sinh vật học.

X zΑ

(14,2 ngày)

β− β− (1,71 MeV)

100%

Y AY 1+ S 32

16

Hình 11.1a Hình 11.1b Phươ ng trình biến đổi của phân rã β- đượ c viết như sau:

X zΑ --→ Y y

Α+1 + β- + Q

Bản chất của phân rã này: n → p + β- + Q

Bức xạ β- (negatron) dẫn đến việc tăng điện tích hạt nhân lên một đơ n vị nhưng

không làm thay đổi số khối của nó.

11.1.2.2.2. Phân rã beta d ươ ng ( β + )

Trong hạt nhân của những đồng vị có số proton nhiều hơ n số neutron có thể xảy ra

hiện tượ ng biến một proton thành một neutron đồng thờ i phát ra hạt pozitron (β+).

Hạt pozitron có khối lượ ng đúng bằng khối lượ ng của điện tử, điện tích bằng điện

tích của điện tử nhưng trái dấu (một điện tích nguyên tố dươ ng), vì vậy nó đượ c gọi

là điện tử dươ ng (e+).

Hình 9.2a biểu diễn sơ đồ chung của loại phân rã này. Hình 9.2b là sơ đồ phân rã

phóng xạ của N13, một đồng vị phóng xạ phân rã β+ đơ n thuần.

Phươ ng trình biến đổi của phân rã β+ đượ c viết như sau:

X zΑ ---→ Y y

Α+1 + β+ + Q

Bản chất của phân rã này: p → n + β+ + Q

P 3215




109

Bức xạ β+ dẫn đến việc giảm điện tích hạt nhân lên một đơ n vị nhưng không làmthay đổi số khối của nó.

(10 phút)

β+

β+

(1,20 MeV)100%

Y AY 1−

C 136

Hình 11.2a Hình 11.2b

Việc trình bày phươ ng trình biến đổi và bản chất của các phân rã β-, β+ như trên lúc

đầu đượ c chấ p nhận vì nó hợ p vớ i các k ết quả thực nghiệm hồi đó.Sau này đi sâu vào việc giải thích phổ năng lượ ng liên tục của các tia β± phát ra từ

mọi nguồn phóng xạ, năm 1931 Paoli đã đưa ra giả thuyết là trong các hiện tượ ng

phân rã β±, ngoài hạt pozitron hoặc electron, từ hạt nhân còn phát ra một loại hạt

khác, gọi là neutrino (ν). Hạt này không mang điện, khối lượ ng t ĩ nh bằng 0. Năm

1957, ngườ i ta đã ghi nhận đượ c hạt neutrino và giả thuyết của Pauli về bản chất

của các chất phân rã β± đã hoàn toàn đượ c chấ p nhận. Như vật, bản chất của các

chất phân rã β± là sự biến đổi tươ ng hỗ giữa n và p theo các phản ứng sau:

p → n + β+ + ν + Q

n → p + β- + ν + Q

X zΑ N 13

7

Hình 11.3 . Phổ năng l ượ ngcủa chùm tia β phát ra t ừ đồngvị phóng xạ 83 Bi210




110

11.1.2.2.3. Phân rã alpha ( α )

Loại phân rã này chỉ xảy ra trong phạm vi các hạt nhân của những nguyên tố có

khối lượ ng nguyên tử lớ n. Trong quá trình này từ hạt nhân phát ra loại hạt anpha

(α). Hạt α là hạt nhân của nguyên tử Hêli đượ c tạo thành bở i mối liên k ết mạnh

giữa một cặ p proton và một cặ p neutron. Bở i vậy sự phân rã này dẫn đến việc giảm

khối lượ ng và điện tích hạt nhân một cách đáng k ể (khối lượ ng giảm 4, điện tích

giảm 2).

Phươ ng trình biến đổi của phân rã α đượ c viết như sau:

zXA → y+1Y

A + 2He4 + Q

Q là năng lượ ng phát ra thể hiện dướ i dạng động năng của các hạt alpha. Các hạt

alpha phát ra từ cùng một loại phân rã của cùng một loại hạt nhân có năng lượ ng

giống nhau. Đó là đặc điểm đơ n năng của chùm tia alpha.

Hình 11.4a là sơ đồ chung của phân rã α. Hình 9.4b là sơ đồ phân rã α của đồng vị

phóng xạ

α α1 4,61 MeV α 2 4,79 MeV6,5% 93,5%

γ

0,18 MeV

Y A Z

42

−−

Rn22286


11.1.2.2.4. Phát xạ tia gamma ( γ ) t ừ hạt nhân

Tr ườ ng hợ p hạt nhân chuyển từ tr ạng thái bị kích thích về tr ạng thái cơ bản hay về

tr ạng thái kích thích ở mức năng lượ ng thấ p hơ n, từ hạt nhân sẽ phát ra tia gamma

(còn gọi là lượ ng tử gamma, hay photon gamma - γ). Bản chất tia γ là sóng điện từ

có bướ c sóng cực ngắn. Vì vậy quá trình phát tia γ không làm thay đổi thành phần

cấu tạo của hạt nhân mà chỉ làm thay đổi tr ạng thái năng lượ ng của nó.

Ra22688

Ra22688

X Z Α




111


Đa số các hạt nhân mớ i tạo thành sau các phân rã β±, α ... đều ở tr ạng thái bị kích

thích. Vì vậy sau các phân rã này thườ ng có phát tia gamma. Do đó cần chú ý r ằng

khi có hiện tượ ng phóng xạ xảy ra ở một hạt nhân, hạt nhân đó có thể bị biến đổi

nhiều hơ n một lần, do đó có thể phát ra nhiều tia phóng xạ.

Hình 11.5a là sơ đồ phân rã phóng xạ của một vài đồng vị phóng xạ có phát tia γ

thườ ng đượ c sử dụng nhiều trong y sinh học.

Như vậy tia phóng xạ là nhữ ng tia đượ c phát ra t ừ hạt nhân bị biế n đổ i phóng xạ ,có năng l ượ ng cao.

11.1.2.3. Phân l o ại b ứ c x ạ ion hóa

Ngườ i ta chia các bức xạ ion hoá ra làm 2 loại:

* H ạt vi mô có khố i l ượ ng t ĩ nh

Gồm các hạt vi mô có khối lượ ng t ĩ nh nhất định, có tích điện hoặc không tích điện:

Hạt vi mô hay gặ p nhất là điện tử (electron, negatron). Hạt điện tử có khối lượ ng

t ĩ nh r ất nhỏ, chỉ bằng 1/1840 khối lượ ng của hạt nhân hydro và mang 1 đơ n vị điện

tích (đvđt) âm. Ngoài các điện tử cấu tạo chuyển động trên các quỹ đạo của nguyên

tử còn có điện tử tự do tồn tại trong vật chất dướ i dạng chuyển động nhiệt. Điện tử

cũng có thể đượ c phát ra từ hạt nhân nguyên tử do phân rã beta âm.

Hạt proton có khối lượ ng bằng 1 đvkl và mang 1 đvđt dươ ng. Hạt proton là một

trong 2 hạt cơ bản cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử.

27Co60 (5,2 năm) 90Th228 (1,9 năm)

5 MeV γ1

2,50 MeV 0,22 MeVγ2 γ3

γ1 1,33 MeV 0,08 MeV

γ2 γ4

0 MeV 0 MeV60 224

β _ (0,31MeV)100 %

α1 (5,17 MeV)0,2 % α2 (5,21 MeV)

0,4 %

α3 (5,34 MeV)0,88 %

α1 (5,42 MeV)71 %






113

Các nguồn phóng xạ khác nhau về bản chất của hạt nhân có tính phóng xạ, do đó

khác nhau về giá tr ị của hằng số λ và số lượ ng của hạt nhân có tính phóng xạ ở thờ i

điểm ban đầu (N0). Nếu λ càng lớ n thì theo thờ i gian số hạt nhân có tính phóng xạ

sẽ giảm càng nhanh. Thí dụ λ của 132I là 0,307 h-1, của 131I là 0,0036 h-1 như vậy 132I

phân rã nhanh hơ n 131I khoảng 100 lần.

Ngườ i ta còn dùng một số đại lượ ng khác để biễu diễn quy luật phóng xạ như:

11.1.3.1. Th ờ i gian (Chu k ỳ ) bán rã

Thờ i gian bán rã của một nguồn phóng xạ, kí hiệu là T là khoảng thờ i gian cần thiết

để số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó giảm xuống một nửa so vớ i ban đầu,

do phân rã phóng xạ. Từ (9.3) suy ra:

ln N 1 = ln. N 0 - λT .

Từ đó ta có: T N N

λ =1

0ln

Sau thờ i gian T thì N1 = 1/2N0 hay N0 / N1 = 2. Do đó:

ln2 = λ T hay

Như vậy thờ i gian bán rã của một nguồn chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có

tính phóng xạ của nguồn đó. Nói cách khác đi thờ i gian bán rã đặc tr ưng cho tính

phóng xạ của nguyên tố phóng xạ.

11.1.3.2. T ố c độ phân rã phóng x ạ hay ho ạt độ phóng x ạ

Tốc độ phân rã phóng xạ còn gọi là hoạt độ phóng xạ của một nguồn là đại lượ ng

vật lí cho biết rõ số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó bị phân rã trong một

đơ n vị thờ i gian, ký hiệu là H. Từ (11.1) ta có: 11

dN H N

dt λ = =

Như vậy hoạt độ phóng xạ một nguồn, phải đượ c xét ở từng thờ i điểm, nó không

những phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn (λ), mà còn

phụ thuộc vào số lượ ng hạt nhân có tính phóng xạ đó tồn tại trong nguồn tại thờ i

điểm đang xét (Nt).

λ λ

693,02ln==T ( 11. 4 )




114

Đơ n vị đo H là phân rã trên giây (Pr/s) hay Becquerel (Bq) đượ c định ngh ĩ a như

sau: "Một Bq là tốc độ phân rã của nguồn mà cứ mỗi giây trung bình có một hạt

nhân bị phân rã".

Ngoài ra còn dùng các đơ n vị khác là Curi (Ci) và các ướ c số của nó.

1 Ci = 3,7.1010Bq

Ta cần chú ý r ằng q không phải là số tia phóng xạ phát ra từ nguồn trong một đơ n vị

thờ i gian, vì khi một hạt nhân phân rã có thể phát ra nhiều, chứ không phải một tia

phóng xạ.

11.1.3.3. M ật độ b ứ c x ạ

Mật độ bức xạ tại một điểm trong không gian là số tia phóng xạ truyền qua một đơ n

vị diện tích đặt vuông góc vớ i phươ ng truyền của tia tại điểm đó trong một đơ n vị

thờ i gian.Giả sử r ằng một nguồn phóng xạ nào đó cứ mỗi đơ n vị thờ i gian phát ra n tia phóng

xạ. Ta coi nguồn phóng xạ là một điểm, sự hấ p thụ tia phóng xạ của bản thân nguồn

là không đáng k ể và không k ể đến sự hấ p thụ tia phóng xạ của môi tr ườ ng. Vì các

tia phóng xạ phát ra theo mọi hướ ng đều đặn như nhau nên mật độ tia phóng xạ tại

một điểm cách nguồn một khoảng R là:

Từ công thức trên ta thấy ngay đượ c mật độ bức xạ tỉ lệ nghịch vớ i bình phươ ng

khoảng cách tớ i nguồn.

Cườ ng độ bức xạ: Cườ ng độ bức xạ tại một điểm nào đó trong không gian là số

năng lượ ng do tia phóng xạ truyền qua một đơ n vị diện tích đặt vuông góc vớ i

phươ ng truyền của tia tại điểm đó trong một đơ n vị thờ i gian. Kí hiệu cườ ng độ bức

xạ là I, ta có:

I = J. E (11.5)

trong đó E là năng lượ ng của mỗi tia phóng xạ; J là mật độ chùm tia. Tất nhiên, nếu

các tia phóng xạ có năng lượ ng không đồng nhất thì:

(11.6)

24 R

n

S

n J

π ==

∑=

= j

i

i i E J I 1




115

Đơ n vị cườ ng độ bức xạ là oát trên mét vuông (W/m2). W/m2 là cườ ng độ của một

chùm bức xạ truyền công suất một oát trên một mét vuông đặt vuông góc vớ i

phươ ng truyền của nó.

11. 2. TƯƠ NG TÁC CỦA BỨ C XẠ ION HOÁ VỚ I VẬT CHẤT

Mọi bức xạ ion hoá, dù là dạng photon hay các hạt vi mô đều mang theo những giá

tr ị năng lượ ng nhất định, vì vậy khi gặ p vật chất năng lượ ng đó sẽ đượ c truyền cho

nguyên tử hoặc phân tử của vật chất. Cơ chế tươ ng tác đó r ất quan tr ọng bở i vì

không những nó ảnh hưở ng tr ực tiế p đến lớ p vật chất đượ c bức xạ chiếu tớ i mà còn

quyết định k ỹ thuật thích hợ p để ghi đo. Sự tươ ng tác này gây ra những hệ quả về

vật lí, hoá học, sinh học. Tr ướ c hết ta khảo sát về phươ ng diện vật lý.

Ngườ i ta chia các bức xạ ion hoá ra làm 2 loại: bức xạ dạng sóng điện từ như

photon gamma, tia X (tia R ơ nghen) và bức xạ là các hạt vi mô có khối lượ ng t ĩ nhnhư chùm điện tử, proton, mezon, deuteri, hạt alpha, v.v.. Việc phân chia các tia

như vậy chỉ là tươ ng đối và để dễ xem xét. Thực ra vật chất có bản chất 2 mặt sóng

và hạt luôn luôn khăng khít nhau. Trong những điều kiện nhất định nào đó, bản chất

sóng đượ c thể hiện rõ hơ n và lúc đó bản chất hạt bị lu mờ đi. Trong những điều kiện

khác thì ngượ c lại.

11.2.1. Tươ ng tác của hạt vi mô tích điện vớ i vật chất

Khi chùm hạt vi mô tích điện tươ ng tác vớ i vật chất, bản thân hạt vi mô hay điệntr ườ ng của nó có thể tươ ng tác vớ i điện tử trên quỹ đạo hoặc vớ i hạt nhân của

nguyên tử vật chất. Đó là các hạt vật chất có khối lượ ng và điện tích nhất định. Vì

vậy lực tác dụng ở đây là lực Coulomb F. Giữa 2 điện tích q và q' sẽ xuất hiện lực

hút nếu chúng trái dấu nhau và lực đẩy nếu cùng dấu. Độ lớ n của F tỉ lệ nghịch vớ i

bình phươ ng khoảng cách d giữa 2 điện tích:

Như vậy xác suất tươ ng tác phụ thuộc vào mật độ, kích thướ c và điện tích của hạt

tớ i đồng thờ i phụ thuộc cả mật độ, kích thướ c và điện tích của các thành phần cấu

tạo vật chất.

2

'

d

qqk F =




116

11.2.1.1. H ạt vi mô tích đ i ện t ươ ng tác v ớ i các đ i ện t ử qu ỹ đạo

Khi tươ ng tác vớ i vật chất, hạt vi mô tích điện dễ dàng truyền một phần năng lượ ng

của nó cho điện tử đang chuyển động trên quỹ đạo của nguyên tử vật chất. Năng

lượ ng hấ p thụ đượ c sẽ làm dịch chuyển điện tử từ quỹ đạo thấ p lên quỹ đạo có năng

lượ ng lớ n hơ n mà không bứt điện tử ra khỏi nguyên tử. Như vậy là hạt vi mô đã đưa

nguyên tử về tr ạng thái kích thích .Tr ạng thái này không tồn tại lâu dài mà nguyên

tử dễ dàng tr ở về tr ạng thái ổn định ban đầu bằng cách phát ra các photon. Năng

lượ ng từ hạt tớ i cũng có thể làm một điện tử quỹ đạo bứt ra khỏi nguyên tử. Nguyên

tử lúc đầu trung hoà về điện nay tr ở thành một cặ p ion âm (hoặc điện tử bị bật ra) và

ion dươ ng (phần còn lại của nguyên tử). Như vậy là nguyên tử (phân tử) đã bị ion

hóa . Điện tử bật ra cũng có một động năng nhất định nên có thể gây ra ion hoá tiế p

theo đối vớ i các nguyên tử và phân tử khác xung quanh. Điều cần lưu ý ở đây là hạtvi mô tích điện tớ i khi va chạm vớ i nguyên tử, phân tử vật chất không chuyển giao

toàn bộ năng lượ ng của nó trong một lần va chạm. Năng lượ ng từ tia tớ i chỉ mất

một giá tr ị nhất định và hướ ng đi của tia tớ i bị lệch đi nhiều ít tuỳ thuộc lực tươ ng

tác F và độ lớ n của tiết diện tác dụng. Phần năng lượ ng của tia tớ i mất đi đượ c dùng

để bứt điện tử ra khỏi quỹ đạo và cung cấ p cho điện tử đó một động năng nhất định.

Đó là sự ion hoá tr ực tiế p. Trên đườ ng đi qua vật chất, một hạt vi mô tích điện có

nhiều lần va chạm như vậy và có thể tạo ra r ất nhiều cặ p ion. Năng lượ ng của tia tớ igiảm dần trên quỹ đạo. Ở cuối quỹ đạo, các hạt vi mô không còn năng lượ ng đủ lớ n

để ion hoá vật chất, sẽ liên k ết vớ i các ion trái dấu để thành nguyên tử (phân tử)

trung hoà về điện hoặc tồn tại tự do ở tr ạng thái chuyển động nhiệt. Vì thế ngườ i ta

gọi quá trình đó là sự ion hóa tr ực tiế p.

Như vậy, dọc theo quỹ đạo của hạt vi mô tích điện xuyên qua vật chất, xuất hiện

nhiều cặ p ion. Các ion này không tồn tại lâu mà gây nên các phản ứng hoá học tiế p

theo hoặc k ết hợ p lại vớ i nhau để thành những phân tử trung hoà về điện. Để biểu

diễn độ lớ n của khả năng ion hoá này ngườ i ta dùng khái niệm độ ion hoá tuyến tính.

Độ ion hoá tuyến tính đượ c đo bằng số cặ p ion do hạt vi mô tớ i tạo ra trên một đơ n

vị chiều dài dọc theo đườ ng đi của nó. Vớ i một hạt vi mô xác định, khi tươ ng tác

vớ i vật chất thì xác suất tươ ng tác để gây ra ion hoá tỉ lệ vớ i khối lượ ng, điện tích và

tốc độ hạt tớ i. Điện tích và khối lượ ng càng lớ n, tốc độ càng bé thì xác suất tươ ng




117

tác càng lớ n. Vì vậy ở cuối quỹ đạo, số cặ p ion bao giờ cũng nhiều hơ n ở đoạn đầu.

Chính vì vậy mật độ ion hoá tuyến tính của các hat alpha lớ n hơ n nhiều so vớ i điện

tử. Sự lệch hướ ng trên quỹ đạo xảy ra đối vớ i hạt alpha cũng ít hơ n so vớ i điện tử.

Vì vậy quỹ đạo của hạt alpha thườ ng ít gấ p khúc hơ n quỹ đạo của điện tử. Chùm tia

alpha phát ra từ một nguồn xạ thườ ng đơ n năng (năng lượ ng của các tia riêng biệt

trong một chùm gần bằng nhau) nên do vậy khả năng đâm xuyên của các tia alpha

từ một nguồn đó cũng giống nhau. Ngườ i ta gọi khả năng đâm xuyên trong vật chất

của một chùm tia là quãng chạy. Thông thườ ng quãng chạy R của tia alpha không

vượ t quá 10 cm trong không khí; 0,1 mm trong nướ c và 0.06 mm trong nhôm. Vì

vậy việc che chắn chùm tia alpha dễ thực hiện.

Hướ ng của hạt beta khi tươ ng tác vớ i vật chất bị lệch đi nhiều hơ n, tạo ra một quỹ

đạo có hình gấ p khúc. Vì vậy quãng chạy R của tia beta không phải là quỹ đạo thựctế trong vật chất mà đượ c tính bằng bề dày cực đại của lớ p vật chất mà nó có thể

xuyên qua đượ c. Phổ năng lượ ng của một chùm beta là đa năng (tức là gồm các tia

từ năng lượ ng thấ p đến năng lượ ng cao) do vậy có khái niệm quãng chạy trung bình

của chùm bêta.

Trong y sinh học, các hiệu ứng xảy ra phụ thuộc vào độ ion hoá tuyến tính. Nhưng

để áp dụng cho tất cả các bức xạ k ể cả photon ngườ i ta còn dùng một khái niệm nữa

là sự truyền tải năng lượ ng tuyến tính viết tắt theo tiếng Anh là LET (linear energytransfer) để diễn đạt giá tr ị năng lượ ng chùm tia đã chuyển giao cho vật chất:

(11.7)

ΔE là giá tr ị năng lượ ng từ hạt vi mô hoặc photon đượ c chuyển giao trên chiều dài

Δx của quỹ đạo. Đơ n vị đo của LET là J/m hoặc keV/μm. Giá tr ị LET cũng nói lên

khả năng ion hoá và tỉ lệ vớ i độ ion hoá tuyến tính của chùm hạt vi mô có khối

lượ ng t ĩ nh. Như vậy vớ i các tia tớ i khác nhau có cùng một năng lượ ng thì giá tr ị

LET khác nhau vì khả năng ion hoá của chúng khác nhau. LET của hạt alpha lớ n

hơ n của hạt beta và của photon gamma. Giá tr ị LET ở đoạn cuối quỹ đạo của một

hạt nào đó cũng lớ n hơ n ở đầu quỹ đạo vì ở cuối quỹ đạo vận tốc hạt chậm hơ n, xác

suất tươ ng tác lớ n hơ n và do đó độ ion hoá cũng lớ n hơ n.

x

E LET

ΔΔ

=




118

11.2.1.2. H ạt vi mô tích đ i ện t ươ ng tác v ớ i h ạt nhân nguyên t ử

Các hạt vi mô tích điện có thể gây ra phản ứng hạt nhân tạo ra các hạt nhân nguyên

tử mớ i như thí nghiệm cổ điển của Rutherford đã thực hiện vào năm 1919:

Đây là khả năng r ất hiếm xảy ra nên chúng ta không đề cậ p k ĩ ở đây.

Khả năng dễ xảy ra hơ n là khi một hạt vi mô tích điện tớ i gần hạt nhân nguyên tử

vật chất (cũng mang điện) thì chúng sẽ tươ ng tác vớ i nhau. Sự tươ ng tác đó sẽ tạo ra

lực hút hoặc đẩy tuỳ theo dấu điện tích của hạt mang tớ i. Độ lớ n của lực t ĩ nh điện

này cũng phụ thuộc vào các yếu tố đã nêu ở trên. Nhìn chung khối lượ ng của hạt tớ i

nhỏ hơ n nhiều so vớ i hạt nhân nguyên tử nên quỹ đạo và vận tốc của nó bị thay đổi

nhiều, tạo ra chuyển động cong. Đó là chuyển động có gia tốc. Theo điện động lựchọc cổ điển, khi hạt vi mô tích điện chuyển động có gia tốc thì sẽ phát ra sóng điện

từ (bức xạ photon). Hiện tượ ng này xảy ra vớ i tất cả các hạt vi mô nhưng đặc biệt

quan tr ọng đối vớ i điện tử. Bức xạ photon phát ra ở đây đượ c gọi là bức xạ hãm

(Braking radiation). Năng lượ ng của bức xạ hãm phụ thuộc vào độ giảm vận tốc

(gia tốc) của chuyển động, ngh ĩ a là phụ thuộc vào giá tr ị điện tích Z của hạt nhân

nguyên tử, điện tích z và khối lượ ng m của hạt tớ i. Phổ năng lượ ng của chùm bức

xạ hãm phát ra từ một nguồn là liên tục. Cần chú ý r ằng bức xạ hãm cũng có thể phát ra từ các tổ chức của cơ thể sinh vật bị chiếu xạ bở i các nguồn phát beta có

năng lượ ng khoảng 1,71 MeV (của 32P). Năng lượ ng bức xạ hãm phụ thuộc nhiều

vào số Z của nguyên tử vật chất nên trong thực tế ngườ i ta ít dùng vật liệu có số Z

lớ n để che chắn các nguồn phát tia beta.

Trong tươ ng tác này, hạt vi mô tiế p tục di chuyển lệch hướ ng và giảm dần năng

lượ ng, còn vị trí và năng lượ ng của hạt nhân ít bị thay đổi. Xác suất xảy ra r ất nhỏ

và nó có tên gọi là sự va chạm đàn hồi.

Cần lưu ý r ằng khi phân rã phóng xạ từ hạt nhân nguyên tử có thể phát ra hạt

pozitron (dươ ng tử). Hạt pozitron là phản hạt của điện tử, mang 1đvđt dươ ng và

1đvkl. Tuy nhiên nó không tồn tại lâu trong điều kiện bình thừơ ng. Khi thoát ra

khỏi hạt nhân nguyên tử nó dễ dàng gặ p các điện tử tự do có sẵn trong vật chất gây

P n Al 3015

2713 ),(α




119

nên hiện tượ ng hủy hạt và biến đổi thành 2 photon gamma có năng lựong bằng nhau

(E ≥ 0,510 MeV) và chuyển động theo 2 chiều ngượ c nhau.

11.2.2. Tươ ng tác của photon năng lượ ng cao (tia và tia X) vớ i vật chất

Trên đây ta biết tia γ, tia X có bản chất là sóng điện từ vớ i bướ c sóng cực ngắn, là

photon năng lượ ng cao. Khác vớ i các hạt vi mô tích điện, khi xuyên qua vật chất,

photon năng lượ ng cao truyền hết năng lượ ng của nó chỉ sau một lần tươ ng tác chứ

không phải sau nhiều lần tươ ng tác như các hạt vi mô. Sản phẩm của quá trình

tươ ng tác đó là những hạt vi mô tích điện (điện tử, pozitron) có năng lượ ng lớ n. Các

hạt vi mô này sẽ ion hoá vật chất tiế p tục (như đã trình bày ở trên). Vì vậy ngườ i ta

nói các photon năng lượ ng cao đã ion hoá gián tiế p vật chất theo cơ chế tác dụng

gián tiế p thông qua 3 hiệu ứng sau đây:

11.2.2.1. Hi ệu ứ ng quang đ i ện

Đó là hiện tượ ng các điện tử qu ĩ đạo bị bứt ra khỏi lớ p vỏ điện tử của nguyên tử, do

tác dụng của tia γ (tia X). Khi điện tử nằm trên quỹ đạo dừng, nó có một năng lượ ng

liên k ết W xác định ( bằng công ion hoá). Như vậy, muốn bứt điện tử ra khỏi qu ĩ

đạo, tia γ (tia X) phải có năng lượ ng lớ n

hơ n W. Trong hiệu ứng này, tia γ tươ ng

tác vớ i điện tử quỹ đạo và trao toàn bộ

năng lượ ng của nó (E = h.f) cho điện tử.

Năng lượ ng này một phần dùng làm công

ion hoá, phần còn lại dùng làm động năng

Eđ cho điện tử:

h.f = W + Eđ

Cần chú ý r ằng công ion hoá W chỉ chiếm một phần nhỏ của h.f, còn đại bộ phận

của h.f đã đượ c biến thành động năng của điện tử sau khi bứt ra khỏi qu ĩ đạo. Chính

vì vậy nó tươ ng tác vớ i vật chất và gây hiện tượ ng ion hoá thứ cấ p trong vật chất.

Về phía nguyên tử vật chất, khi một điện tử bị bật ra khỏi qu ĩ đạo, điện tử khác ở

vành ngoài có thể đến thế chỗ. Năng lượ ng dư thừa do sự chênh lệch của En giữa

hai qu ĩ đạo, sẽ đượ c phát ra dướ i dạng một photon. Giá tr ị năng lượ ng En phụ thuộc

hf e-

e- hf’

Hình 11.6 Hiệu ứ ng quang đ iện




120

vào các qu ĩ đạo, vào nguyên tử số cho nên photon thứ cấ p này có năng lượ ng xác

định và đượ c gọi là bức xạ đặc tính (hình 11.6).

hf = EL - EK

EL và EK là năng lượ ng En của điện tử ở vành L và vành K.

Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào số nguyên tử Z của vật chất hấ p

thụ tức là vào điện tích của hạt nhân nguyên tử vật chất và giảm đi khi năng lượ ng

của photon tớ i tăng lên. Ngườ i ta thấy hiệu ứng quang điện thườ ng xảy ra vớ i

những chùm photon có năng lượ ng nhỏ hơ n 1,02 MeV.

11.2.2.2. Hi ệu ứ ng Compton

Compton là ngườ i đầu tiên phát hiện ra r ằng photon có năng lượ ng trong khoảng

0,1÷ 2 MeV đi qua vật chất sẽ tươ ng tác vớ i điện tử tự do có trong đó. Điện tử này

nhận toàn bộ năng lượ ng hf của photontớ i, giữ lấy một phần làm động năng của

mình để dịch chuyển, phần còn lại sẽ

phát ra dướ i dạng một photon khác có

tần số nhỏ hơ n (năng lượ ng thấ p hơ n) và

có hướ ng truyền làm thành một góc vớ i

hướ ng truyền của photon tớ i. Ngườ i ta

gọi chúng là điện tử lùi và photon thứ cấ p của hiệu ứng Compton (Hình 11.7).

Có thể viết tóm tắt quá trình đó như sau:

hf = hf' + Eđ

hf : năng lượ ng của photon tớ i.

hf' : năng lượ ng của photon thứ cấ p.

Eđ : động năng của điện tử tự do.

Chính điện tử lùi vớ i động năng Ed sẽ tiế p tục tươ ng tác vớ i vật chất, gây hiện tượ ng

ion hoá như ta đã biết trong phần trên.

hf

hf’

φθ

e-

Hình 11.7 . Hiệu ứ ng Compton




121

11.2.2.3. Hi ệu ứ ng t ạo c ặp

Những photon có năng lượ ng bằng và lớ n hơ n 1,02 MeV có thể gây ra hiệu ứng tạo

cặ p: Khi những photon đó đến gần hạt nhân có số Z lớ n, chúng tươ ng tác vớ i tr ườ ng

hạt nhân và biến mất, đồng thờ i xuất

hiện một cặ p pôzitron - electron. Như

vậy, năng lượ ng của photon đã chuyển

hoá thành cặ p e+ và e- và động năng

của chúng (Hình 11.8).

Hệ thức năng lượ ng trong quá trìnhtạo cặ p là:

hf = Eđ+ + Eđ

- + 1.02 MeV

Trong đó Eđ+ + Eđ- là động năng của pozitron và electron; 1,02 MeV= 0,51 MeV x 2

là phần năng lượ ng tươ ng đươ ng vớ i khối lượ ng t ĩ nh của hai hạt pozitron và

electron, tính theo công thức của Anhstanh E = mc2, trong đó E là năng lượ ng tươ ng

đươ ng vớ i khối lượ ng m, c là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Như vậy các pozitron và electron đượ c tạo ra trong hiệu ứng này cũng có động năng.

Chính chúng sẽ tươ ng tác vớ i vật chất và gây quá trình ion hoá tiế p tục, do đó sẽ

giảm dần động năng r ồi chuyển về dạng chuyển động nhiệt.

Xác suất của hiệu ứng này tăng tỉ lệ vớ i giá tr ị năng lượ ng của photon Eγ (tia X,gamma) xuyên qua và tỉ lệ vớ i Z2 của nguyên tử vật chất ( hình 11.9 ).

Mọi bức xạ ion hoá, dù là dạng photon hay các hạt vi mô tích điện đều mang trong

mình chúng những giá tr ị năng lượ ng nhất định, vì vậy khi gặ p vật chất, năng lượ ng

đó sẽ đượ c truyền cho nguyên tử hoặc phân tử của vật chất.

hf

e−

e+

Hình 11.8 Hiệu ứ ng t ạo cặ p




122

1

2 3

0,01 0,1 1 10 100 Eγ (MeV)

%

100

50

Nhìn chung có 2 phươ ng thức cơ bản về phươ ng diện vật lí để chuyển giao năng

lượ ng từ tia qua vật chất: kích thích và ion hoá vật chất. Kích thích là quá trình

nguyên tử hoặc phân tử hấ p thụ một giá tr ị năng lượ ng từ tia r ồi chuyển về một

tr ạng thái năng lượ ng mớ i, không bền vững (tr ạng thái kích thích) mà không kéo

theo bất cứ sự tách r ờ i (bứt) một điện tử cấu tạo nào. Nguyên tử hoặc phân tử kích

thích đó r ất dễ dàng và nhanh chóng phát xạ năng lượ ng đã hấ p thụ đượ c dướ i dạng

những photon, bức xạ nhiệt hoặc phản ứng hoá học để tr ở về tr ạng thái ban đầu. Ion

hoá là quá trình năng lượ ng từ tia tớ i làm bật điện tử quỹ đạo của nguyên tử hoặc

phân tử thành phần của vật chất. Từ đó tạo ra một cặ p ion: ion âm (hoặc điện tử) và

ion dươ ng (phần còn lại của nguyên tử hoặc phân tử).

11.2.3. Tươ ng tác của neutron vớ i vật chất

11.2.3.1. Ngu ồn phát neutr on

Neutron là hạt cơ bản có trong hạt nhân của hầu hết các nguyên tố. Nó đượ c

Chadwick phát hiện năm 1932 và có ký hiệu là n hoặc 0n1 vì có khối lượ ng khoảng

1 đvnt và không mang điện tích. Ngườ i ta thu đượ c các neutron từ một vài đồng vị

phóng xạ hoặc từ lò phản ứng phân chia các hạt nhân nặng như 92U235... Các hạt

nhân U235 và Pu239 khi tiế p nhận một neutron thì sẽ tr ở về tr ạng thái không cân bằng

Hình 11.9 . Xác suấ t t ươ ng đố i của các hiệu ứ ng

phụ thuộc vào năng l ượ ng tia gamma:1- Quang đ iện 2- Compton 3- T ạo cặ p




123

đưa đến việc hạt nhân bị phân chia thành hai mảnh và một số neutron khác đượ c

phát ra. Phản ứng đượ c viết như sau:

92U235 + 0n

1 → 38Sr 90 + 54Xe144 + 2.0n1 + γ + 200 MeV

Dướ i tác dụng của lực Culông, hai mảnh nhân đó sẽ chuyển động ngượ c chiều nhau

vớ i động năng r ất lớ n, còn các neutron lại có thể gây nên những sự phân chia hạt

nhân tiế p theo ở hạt nhân khác. Cứ như vậy, khi có một hạt nhân bị phân chia làm

mồi sẽ dẫn đến một dây chuyền các phản ứng k ế tiế p nhau. Qua đó ngườ i ta thu

đượ c một nguồn neutron r ất lớ n, một năng lượ ng lớ n dướ i dạng nhiệt và các bức xạ

gamma. Đó là phản ứng hạt nhân dây chuyền.

Ngoài các phản ứng phân hạch từ 235U và 238U còn có các phản ứng hạt nhân khác

phát ra Neutron. Chúng đượ c ứng dụng để chế tạo những nguồn neutron tươ ng đối

nhỏ. Loại nguồn Neutron thông dụng nhất dựa vào phản ứng sau: 9Be ( α, n ) 12C

Các hạt α đượ c dùng trong phản ứng này phát ra từ các đồng vị như 241Am hoặc

226Ra. Phổ năng lượ ng của các neutron phát ra từ các nguồn α - Berylli đó không

đơ n năng nhưng có các đỉnh (peak) cao ở các mức năng lượ ng 3 và 6 MeV; ngh ĩ a là

các nguồn Neutron này chủ yếu phát ra các neutron nhanh.

Một phản ứng khác đượ c dùng để sản xuất neutron là phản ứng Gamma - Neutron (γ,

n). Loại nguồn Gamma - Neutron thông dụng nhất gồm một hỗn hợ p Antimon và

Berylli có thể tích bằng nhau, trong đó các tia γ năng lượ ng cao từ Antimon-124 bắn

phá các nhân Berylli và phát ra các neutron. Đáng chú ý là các neutron tạo bở i quá

tr ình (γ, n) đượ c ứng dụng trong thực tiễn có thể xem là đơ n năng.

11.2.3.2. T ươ ng tác c ủa neutron v ớ i v ật ch ấ t - S ự h ấ p th ụ neutron

Do không mang điện nên khi chuyển dộng trong vật chất neutron không tươ ng tác

vớ i lớ p vỏ điện tử của nguyên tử, không kích thích hoặc iôn hoá nguyên tử. Nhưng

khi va chạm vớ i hạt nhân, chúng bị tán xạ mà k ết quả là năng lươ ng của chúng bị

giảm và phươ ng hướ ng cuả chúng thay đổi. Trong một số điều kiện nhất địnhneutron có thể tươ ng tác vớ i hạt nhân nguyên tử và gây ra phản ứng hạt nhân theo

biểu thức sau đây:

n + XA → XA+1

Các phản ứng quan tr ọng nhất trong hấ p thụ neutron là:




124

− Tán xạ đ àn hồi

Là tán xạ trong đó các neutron va chạm vớ i các hạt nhân và bị " bắn " đi tươ ng tự

như sự va chạm của hai quả bóng billiard. Trong va chạm đó, neutron bị mất một

phần năng lượ ng ban đầu, do vậy nó sẽ mất dần năng lượ ng và chậm lại. Năng

lượ ng của neutron mất đi này đượ c truyền cho hạt nhân bia. Toàn bộ năng lượ ngđượ c truyền này thể hiện dướ i dạng động năng của hạt nhân bia. Các nguyên tố nhẹ

có tác dụng làm chậm neutron tốt nhất bằng hiệu ứng tán xạ đàn hồi và vì vậy các

vật liệu có hàm lượ ng Hydrogen cao (như paraffin, nướ c, bê tông) thườ ng đượ c sử

dụng vào mục đích này.

− Tán xạ không đ àn hồi

Trong quá trình này các neutron đến truyền một phần năng lượ ng của chúng cho vật

liệu gây tán xạ và kích thích các hạt nhân bia. Những hạt nhân bia bị kích thích

thườ ng phát ra bức xạ Gamma. Sau đó, khi chúng tr ở về tr ạng thái cơ bản. Quá trình

va chạm không đàn hồi này xảy ra chủ yếu đối vớ i các hạt nhân nặng. − Các phản ứ ng bắ t neutron

Có nhiều loại, trong các phản ứng này các neutron bị bắt bở i các hạt nhân r ồi tiế p

theo chúng khử kích thích bằng cách phát ra một hạt hoặc photon khác. Một phản

ứng bắt neutron r ất quan tr ọng là: 10Be ( n, α ) 7Li

Tầm quan tr ọng của phản ứng này, theo quan điểm che chắn là các hạt bị bắn ra

(hạt α) r ất dễ bị hấ p thụ. Do vậy, việc đưa Bery-10 vào các vật liệu che chắn sẽ có

n

n H ạt nhân (a) Tán xạ đ àn hồi.

n(b) Tán xạ phi đ àn hồi.

n H ạt nhân H ạt nhân bị kích thích.γ thườ ng phát năng l ượ ng

d ư thừ a d ướ i d ạng các tia γ

γ n ( c) Bắ t neutron.

H ạt nhân khố i l ượ ng nguyên t ử (A+1) thườ ng phát tia γ

Hình 11.10

H ạt nhân khố i

l ượ ng nguyênt ử (A)




125

tác dụng hấ p thụ neutron và hạt α đượ c sinh ra sẽ không còn gây khó khăn cho việc

che chắn nữa. Điều không may là phần lớ n các phản ứng bắt neutron thườ ng gặ p

nhất lại dẫn tớ i việc phát xạ các tia Gamma có khả năng xuyên sâu, ví dụ:58Fe ( n, γ ) 59Fe

Bức xạ Gamma này thườ ng cần đượ c lưu ý trong thiết k ế che chắn và do vậy, một

vật liệu có nguyên tử số cao thườ ng đượ c k ết hợ p để hấ p thụ các tia Gamma này. Vì

vậy che chắn bức xạ neutron r ất phức tạ p vì khoảng năng lượ ng của nó thườ ng r ất

r ộng, có khả năng đâm xuyên lớ n và gây hiệu ứng sinh học cao. Các phản ứng vớ i

neutron đượ c minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 9.10.

11.3. SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢ NG BỨ C XẠ - LIỀU LƯỢ NG BỨ C XẠ

11.3.1. Sự hấp thụ năng lượ ng bứ c xạ. Sự suy giảm cườ ng độ bứ c xạ

Do các quá trình tươ ng tác trên, khi bức xạ ion hoá đi xuyên qua vật chất, năng

lượ ng, mật độ chùm tia có thể giảm đi và do đó cườ ng độ chùm tia sẽ giảm đi. Tuy

nhiên, theo bản chất và đặc điểm của mỗi loại tia, qui luật giảm cườ ng độ đượ c thể

hiện khác nhau.

11.3.1.1. Quy lu ật gi ảm m ật độ tia

Các hạt α trong chùm tia nói chung có năng lượ ng đồng đều như nhau, quỹ đạo của hạt

α trong vật chất là đườ ng thẳng. Do tươ ng tác năng lượ ng của từng hạt α sẽ giảm dần

dọc theo quỹ đạo của nó cho đến khi dừng lại. Vì vậy vớ i tia α, tồn tại quy luật giảm

mật độ tia (J) như sau. Gọi J0 là mật độ chùm tia α song song, có cùng năng lượ ng

xuyên vuông góc vớ i bề mặt của lớ p vật chất, x là chiều dày lớ p vật chất chùm tia

xuyên qua, J là mật độ chùm tia ló sau khi đi qua lớ p vật chất, ta có:

J = Jo nếu x < R (11.8)

J = 0 nếu x ≥ R

Trong đó R là quãng chạy của chùm tia α trong vật chất mà nó đi qua.

11.3.1.2. Quy lu ật gi ảm c ườ ng độ tia (tia γ, tia X, tia ± )

Đối vớ i hạt bêta, do chùm tia β± có phổ năng liên tục, quỹ đạo của hạt β± trong vật

chất là đườ ng gấ p khúc quanh co. Cườ ng độ của chùm hạt bêta giảm giống như của

chùm tia gamma. Do hiệu ứng tươ ng tác của tia γ, tia X vớ i vật chất xảy ra theo quy

luật xác suất, nên đối vớ i các chùm tia này không tồn tại quy luật giảm mật độ đơ n




126

giản như đối vớ i tia α mà thay vào đó là quy luật giảm cườ ng độ tia. Gọi I0 là cườ ng

độ chùm tia γ, (hoặc tia X, hoặc tia β±) tớ i mặt bản, I là cườ ng độ sau khi ra khỏi

bản, x là chiều dày của bản (tính bằng cm) ngườ i ta chứng minh đượ c: x xe I I .

0 . μ −=

(11.9)Trong đó μx gọi là hệ số giảm bậc nhất. Nếu bức xạ ion hoá có bản chất (dạng) khác

nhau, năng lượ ng khác nhau, vật chất mà nó xuyên qua khác nhau thì μx sẽ khác

nhau. Đối vớ i sự giảm cườ ng độ bức xạ, khoảng chiều dày của một bản vật chất tính

bằng đơ n vị dài chưa nêu hết đượ c khả năng làm giảm cườ ng độ bức xạ của bản đó.

Giá tr ị ρ càng lớ n thì sự giảm càng mạnh. Vì vậy để nêu hết đượ c khả năng làm

giảm cườ ng độ bức xạ của một số bản vật chất chiều dày x (cm) có mật độ vật chất

ρ (g/cm3

) ta phải dùng tích số: d = x.ρ d gọi là chiều dày khối của bản vật chất, đượ c đo bằng đơ n vị g/cm3.

Công thức 11.9 trên có thể biến đổi như sau:

(11.10)

Trong đó μ = μx /ρ đượ c gọi là hệ số làm giảm khối. Đơ n vị để đo μ là cm2/g.

Đối vớ i tia β±, sự giảm cườ ng độ này là do sự lệch hướ ng của hạt β± sau tươ ng tác

vớ i hạt thành phần của vật chất và sự dừng của hạt β± trong vật chất khi năng lượ ng

của nó giảm xuống bằng năng lượ ng của chuyển động nhiệt. Hệ số hấ p thụ khối μ

phụ thuộc vào năng lượ ng cực đại của hạt β± có trong chùm tia đó.

Đối vớ i tia γ, tia X, sự giảm cườ ng độ là do sự biến mất và sự suy giảm năng lượ ng

của chùm tia khi xảy ra một trong các hiệu ứng đã nêu.

Ta có: μ = τ + σ + χ

Trong đó : μ là hệ số hấ p thụ khối (toàn phần) của tia γ, tia X.

τ là hệ số hấ p thụ theo hiệu ứng quang điện

σ là hệ số hấ p thụ do tán xạ Compton

χ là hệ số hấ p thụ theo hiệu ứng tạo cặ p.

Các hệ số hấ p thụ khối μ, τ, σ, χ và tỉ lệ các giá tr ị của τ, σ, χ trong hệ số hấ p thụ

khối toàn phần μ phụ thuộc vào năng lượ ng của photon. Hình 9.9 cho biết sự phụ

d

x

e I e I I ⋅−⋅

−

== μ ρ

ρ

μ

00 .




127

thuộc vào năng lượ ng tia γ, tia X của xác suất tươ ng đối của ba quá trình hấ p thụ

quang điện, tán xạ Comtơ n và hiệu ứng tạo cặ p.

Quy luật giảm cườ ng độ của chùm tia beta và gamma như ta đã thấy ở trên là theo

hàm số mũ. Như vậy về lý thuyết không thể che chắn để có đượ c giá tr ị cườ ng độ

chùm tia bằng 0. Trên thực tế ngườ i ta có thể chặn hết một chùm tia bêta vì khả

năng tươ ng tác của nó lớ n do đó sự đâm xuyên của nó thấ p. Đối vớ i chùm tia

gamma thì chỉ có thể che chắn để đạt đến một giá tr ị r ất nhỏ có thể chấ p nhận đượ c.

Vì vậy để biểu diễn khả năng che chắn của một lớ p vật chất nào đó đối vớ i tia

gamma ngườ i ta dùng khái niệm chiều dày hấ p thụ một nửa.

Chiề u dày hấ p thụ một nử a (Half Value Layer:HVL) là chiề u dày thự c t ế của một

l ớ p vật chấ t mà cườ ng độ chùm tia khi xuyên qua đ ó thì bị giảm đ i một nử a so vớ i

cườ ng độ ban đầu, đượ c ký hiệu là d 1/2.Từ công thức (11.10) ta có thể tính dượ c mối tươ ng quan giữa d1/2 và hệ số hấ p thụ

μ là:

μ

693,02/1 =d (11.11)

Khái niệm HVL có ích để tính toán nhanh giá tr ị gần đúng cần che chắn bở i vì 1

HVL làm giảm 1/2 cườ ng độ chùm tia, 2 HVL giảm xuống còn 1/4, 3 HVL giảm

xuống còn 1/8 và cứ thế tiế p tục theo quy luật hàm số mũ của hiện tượ ng hấ p thụ bức xạ. Thông số này giúp cho việc tính toán che chắn tia đượ c nhanh chóng và dễ

dàng hơ n.

11.3.2. Liều lượ ng bứ c xạ

Trong thực hành, đặc biệt là thực hành y học để đánh giá tác dụng của chùm tia ion

hoá lên vật chất nói chung và lên cơ thể sống nói riêng, ngườ i ta dùng một đại

lượ ng gọi là liều lượ ng bức xạ. Cơ sở để định ngh ĩ a liều lượ ng bức xạ là k ết quả

tươ ng tác giữa tia ion hoá vớ i vật chất thông qua các quá trình mà ta đã nói ở trên.

Trong thực tế tuỳ tr ườ ng hợ p cụ thể ngườ i ta dùng hai loại liều lượ ng: liều lượ ng

hấ p thụ và liều lượ ng chiếu.Trong phóng xạ sinh học còn dùng đến liều tươ ng

đươ ng và liều hiệu dụng.




128

11.3.2.1. Li ều chi ế u (Li ều ion hóa)

Liều chiếu chỉ dùng cho tia γ và tia X. Liều chiếu là đại lượ ng cho biết tổng số điện

tích của các ion cùng dấu đượ c tạo ra trong một đơ n vị khối lượ ng không khí ở điều

kiện tiêu chuẩn dướ i tác dụng của các hạt mang điện sinh ra do tia gamma hoặc tia

X tươ ng tác vớ i các nguyên tử, phân tử khí.

(11.12)

Trong hệ SI đơ n vị liều chiếu là Culông trên kilogam (C/kg). Đó là liều chiếu của

một chùm tia γ hay tia X mà nếu chùm tia ấy chiếu vào không khí ở điều kiện tiêu

chuẩn thì sẽ gián tiế p hoặc tr ực tiế p ion hoá và tạo ra đượ c một lượ ng điện tích tổng

cộng là một Culông (cộng theo một dấu) trong một kilôgam không khí. Đơ n vị

khác của liều chiếu là R ơ nghen (R). Giữa R và C/kg có mối liên hệ sau:1 R = 2,57976. 10-4 C/kg hay 1 C/kg ≈ 3876 R

R là đơ n vị tr ướ c đây hay dùng trong y học phóng xạ và phóng xạ sinh học.

R ơ nghen là liều chiếu của chùm photon khi chiếu vào 1 cm3 không khí (tức 1,293

mg) ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra một số ion mà điện tích tổng cộng các ion cùng

dấu là một đơ n vị điện tích (tức là khoảng 2,09 x 109 cặ p ion). Ngườ i ta còn gọi liều

chiếu là liều biểu kiến.

11.3.2.2. Li ều h ấ p th ụ Liều hấ p thụ D là tỉ số giữa năng lượ ng ΔE mà một đối tượ ng hấ p thụ từ chùm tia

chiếu tớ i và khối lượ ng Δm của nó:

(11.13)

Trong hệ SI đơ n vị của liều hấ p thụ là Jun trên kilogam (J/kg), đượ c đặt tên là Gray

(Gy). Gray là liều hấ p thụ của một chùm bức xạ ion hoá đối vớ i một đối tượ ng nào

đó khi đối tượ ng này bị chiếu bở i chùm tia đó thì cứ mỗi kilogam vật chất của nónhận đượ c một năng lượ ng là một jun. Một đơ n vị khác của liều hấ p thụ là rad.

Giữa rad và Gray có mối liên hệ sau:

1 rad = 0,01 Gy hay 1 Gy = 100 rad.

m

E D

ΔΔ

=

m

Q Dc

ΔΔ

=




129

11.3.2.3. Li ều t ươ ng đươ ng

Ngườ i ta quan sát thấy cùng một liều hấ p thụ của các loại bức xạ khác nhau lại gây

ra những tổn thươ ng khác nhau. Vì vậy đưa thêm hệ số chất lượ ng tia Q để nói nên

đặc điểm này từ đó ta có liều tươ ng đươ ng.

Liều tươ ng đươ ng = Liều hấ p thụ x Q

Tr ướ c đây liều tươ ng đươ ng có đơ n vị thườ ng dùng là Rem. Nhưng hiện nay trong

hệ SI liều tươ ng đươ ng tính bằng Sievert (viết tắt là Sv) vớ i các ướ c số mSv, μSv.

Dướ i đây là giá tr ị Q của một vài loại bức xạ:

− Tia X, γ, điện tử: 1

− Nơ tron nhiệt: 5

− Proton và neutron nhanh: 20

− Các hạt anpha: 20

11.3.2.4. Li ều hi ệu d ụng

Các mô khác nhau nhận cùng một liều tươ ng đươ ng như nhau lại có tổn thươ ng sinh

học khác nhau. Đó là do độ nhạy cảm phóng xạ của các mô khác nhau, để đặc tr ưng

cho tính chât này ngườ i ta đưa ra khái niệm tr ọng số của mô. Liều hiệu dụng đượ c

tính:

Liều hiệu dụng = Liều tươ ng đươ ng . W

Đơ n vị của liều hiệu dụng cũng là SvDướ i đây là một vài giá tr ị W của các mô: Thận: 0,20; phổi: 0,12; gan: 0,05; da:

0,01…

11.3.3. Nguyên lý và các thiết bị ghi đo bứ c xạ ion hóa

Cơ sở của việc ghi đo bức xạ ion hoá là các phản ứng hoá học hoặc hiệu ứng vật lí

của sự tươ ng tác giữa bức xạ và vật chất hấ p thụ.Về phươ ng diện vật lí, khi khảo

sát hệ ghi đo, ngườ i ta lưu ý 3 yếu tố sau đây:

− Dạng của vật chất hấ p thụ (đặc, lỏng, khí)− Bản chất của các hiệu ứng vật lí: kích thích hay ion hoá.

− Cách thể hiện k ết quả ghi đo, nếu là xung điện thì biên độ xung là cố định hay tỉ

lệ vớ i năng lượ ng hấ p thụ đượ c.




130

Dướ i tác dụng của tia phóng xạ, các nguyên tử và phân tử của vật chất bị kích thích

và ion hoá, từ đó gây ra các hiệu ứng khác nhau. Mức độ các hiệu ứng đó xảy ra tuỳ

thuộc vào bản chất và năng lượ ng chùm tia. Vì vậy chúng ta có thể dựa vào các

hiệu ứng đó để ghi và đo bức xạ ion hoá.

11.3.3.1. Các l o ại đầu dò (detector )

11.3.3.1.1. Ghi đ o phóng xạ d ự a vào sự biế n đổ i hoá học và t ạo quang ảnh trên

phim

Có một số hoá chất bị biến đổi khi chịu tác dụng của bức xạ ion hoá. Hiện tượ ng đó

ngày nay ít đượ c áp dụng vì kém nhậy ngoại tr ừ việc áp dụng r ộng rãi các phim ảnh

để ghi đo phóng xạ. Tia phóng xạ gây các biến đổi ở tinh thể muối Halogen bạc

trong nhũ tươ ng. Cấu tạo của phim và nhũ tươ ng ảnh bao gồm các tinh thể muối

Halogen bạc phân bố đều trong nhũ tươ ng. Độ nhạy của phim phụ thuộc vào mậtđộ và kích thướ c của tinh thể muối và bề dày của nhũ tươ ng:

− Phim ảnh có lớ p nhũ tươ ng dày khoảng 10μm, kích thướ c tinh thể khoảng 0,5 ÷

3 μm. Mật độ tinh thể khoảng 6 x 109/cm3. Phim này thườ ng dùng để ghi đo tia X,

tia gamma.

− Nhũ tươ ng hạt nhân có lớ p độ dày 5 ÷10 μm, kích thướ c tinh thể muối là 0,1-

0,4 μm và mật độ là 1013/cm3. Nhũ tươ ng có hiệu suất tươ ng tác lớ n vớ i các bức xạ

alpha, beta và gamma mềm.Khi tia phóng xạ tươ ng tác vào nhũ tươ ng, các điện tử có thể bị bứt ra khỏi nguyên

tử cấu tạo. Các điện tử này có xu hướ ng tậ p trung về một điểm trong mạng tinh thể

muối bạc. Sau đó các ion Ag+ cũng bị lôi cuốn về các điểm này và nhận các điện tử

để tr ở thành nguyên tử bạc Ag. Số lượ ng nguyên tử Ag trong điểm đó phụ thuộc

vào số điện tử có mặt tức là phụ thuộc vào cườ ng độ chùm tia.

Các nguyên tử Ag có khả năng xúc tác làm cho tinh thể dễ bị khử. Vì vậy khi

nhúng các nhũ tươ ng này vào các dung dịch khử mạnh như hydroquinol, metol thìcác tinh thể có các nguyên tử Ag trong đó bị khử còn các tinh thể khác thì không.

Tốc độ khử cũng phụ thuộc vào số lượ ng nguyên tử Ag có trong tinh thể.

Như vậy, sau khi tráng r ửa, có thể quan sát đượ c quá trình đó bằng các dụng cụ đo

mật độ quang học. Ngày nay ngườ i ta dùng các loại phim và nhũ tươ ng để ghi đo




131

phóng xạ trong công việc đo liều hấ p thụ cá nhân bằng test- phim, trong k ĩ thuật

phóng xạ tự chụ p (autoradiography), v.v...

11.3.3.1.2. Ghi đ o phóng xạ d ự a vào đặc tính phát quang của tinh thể và dung d ịch

Khi hấ p thụ năng lượ ng từ chùm tia phóng xạ, một số tinh thể có khả năng phát

quang. Mật độ và năng lượ ng bức xạ phát ra phụ thuộc vào năng lượ ng hấ p thụ

đượ c. Do vậy có thể đo đượ c năng lượ ng chùm tia đã truyền cho tinh thể bằng cách

đo năng lượ ng chùm tia thứ phát từ tinh thể đó.

Hiện nay tinh thể có đặc tính phát quang thườ ng dùng là:

− Tinh thể muối ZnS phát quang dướ i tác dụng của tia X, tia gamma.

− Tinh thể Antraxen phát quang khi hấ p thụ năng lượ ng từ chùm tia bêta.

− Dung dịch hỗn hợ p PPO (2,5 diphenil oxazol) và POPOP (2,5 phenyloxazol-

benzen) hoà tan trong dung môi toluen hay dioxan, phát quang khi hấ p thụ năng

lượ ng yếu của các tia bêta phát ra từ 3H và 14C. Dung dịch này là thành phần chính

của k ĩ thuật ghi đo đặc biệt gọi là k ĩ thuật nhấ p nháy lỏng, thườ ng dùng trong các

nghiên cứu y sinh học.

− Tinh thể Iodua Natri (NaI) trong đó có tr ộn lẫn một lượ ng nhỏ Tali (Tl) hoặc tinh

thể KI (Tl); CsI (Tl); LiI v.v... có khả năng phát ra một photon thứ cấ p (phát quang)

khi có bức xạ gamma tác dụng vào. Đượ c dùng trong các thiết bị dựa vào đặc tính

phát quang đặc biệt là ống đếm nhấ p nháy.Quan tr ọng nhất trong loại này là tinh thể muối NaI đượ c hoạt hoá bằng Tl, phát

quang dướ i tác dụng của tia gamma. Các tinh thể này đượ c dùng để tạo ra đầu dò.

Vì năng lượ ng của chùm tia phát quang r ất yếu nên phải đượ c khuyếch đại bằng

các ống nhân quang. K ĩ thuật ghi đo bằng tinh thể phát quang có hiệu suất lớ n, nên

ngày càng đượ c sử dụng r ất r ộng rãi.

Số lượ ng các photon phát quang (thứ cấ p) đó tỉ lệ vớ i năng lượ ng các tinh thể nhấ p

nháy hấ p thụ đượ c từ tia tớ i. Trung bình cứ 30 ÷ 50 eV năng lượ ng hấ p thụ đượ c sẽ tạo ra một photon phát quang thứ cấ p. Như vậy, một tia gamma có năng lượ ng

khoảng 0,5MeV đượ c hấ p thụ sẽ tạo ra khoảng 104 photon thứ cấ p trong tinh thể.

Nếu các photon huỳnh quang đó đượ c tiế p xúc vớ i bản photocatod thì sẽ tạo ra một

chùm các điện tử (Hình 9.11). Bộ phận tiế p theo của đầu đếm nhấ p nháy là ống

nhân quang. Ống nhân quang đượ c cấu tạo bở i nhiều bản điện cực có điện thế tăng




132

dần để khuếch đại từng bướ c vận tốc của chùm điện tử phát ra từ photocatot. Một

ống nhân quang có 10- 14 đôi điện cực, có thể khuếch đại vận tốc điện tử lên 106

đến 109 lần. Tuy vậy đó vẫn chỉ là những xung điện yếu cần phải khuếch đại nữa

mớ i ghi đo đượ c.

Ống đếm nhấ p nháy dùng tinh thể vô cơ NaI (Tl) ngày nay đượ c dùng r ất phổ biến

và đạt đượ c hiệu suất đo 20%- 30% đối vớ i tia gamma và 100% vớ i các hạt vi mô.

Thờ i gian chết của chúng cũng r ất ngắn (khoảng vài μs mà thôi).

Ống đếm nhấ p nháy không những ghi đo đượ c cườ ng độ bức xạ mà còn cho phép

ghi đo đượ c phổ năng lượ ng của chất phóng xạ. Muốn đo phổ năng lượ ng cần có

thêm máy phân tích biên độ.

TiÒnkhuÕch

®¹i

Cao thÕ

Tinh thÓ nhÊp nh y̧ 2 4 20

Photocathod

nod

1 3 5

Hình 11.11

Vớ i các k ĩ thuật hiện đại, ngườ i ta có thể tạo đượ c các tinh thể nhấ p nháy có kích

thướ c lớ n và những hình dạng thích hợ p. Từ đó có thể tạo ra các máy móc ghi đo

hiện đại sử dụng cho các mục đích khoa học khác nhau. Trong y sinh học có các

máy đo bức xạ phát ra từ trong cơ thể, từ toàn thân, từ các phủ tạng sâu hoặc từ các

mẫu bệnh phẩm.11.3.3.1.3. Ghi đ o d ự a vào sự ion hoá các chấ t khí

S ự ion hoá chấ t khí:

Các thí nghiệm cổ điển đã cho thấy, môi tr ườ ng các chất khí có thể dẫn điện khi có

tác dụng của bức xạ ion hoá. Thí nghiệm cho thấy cườ ng độ dòng điện qua môi

tr ườ ng chất khí phụ thuộc vào hiệu điện thế của nó ( hình 9.12 ). Từ đó ngườ i ta tạo




133

ra nhiều thiết bị ghi đo phóng xạ dựa vào sự ion hoá các chất khí. Đồ thị đượ c chia

làm 4 giai đoạn: giai đoạn I, II là điện thế hoạt động cho các buồng ion hoá; giai

đoạn III cho ống đếm tỷ lệ và giai đoạn IV cho ống đếm GM. Đây là k ĩ thuật ghi đo

quan tr ọng nhất.

Có các loại thiết bị sau đây:

+ Buồng ion hoá dùng để đo liều cá nhân, chuẩn liều (Calibrator) và báo hiệu

phóng xạ (Laboratory Monitor).

+ Ống đếm Geiger- Muller (G.M)

Sau đây là một vài dung cụ ghi đo phóng xạ thườ ng dùng:

Buồng ion hoá

Các buồng ion hoá đều có cấu tạo như trong hình 9.14. Điện thế đượ c cung cấ p

bằng pin, acquy hoặc điện lướ i và có giá tr ị trong đoạn II của hình 9.12. Trong bìnhchứa không khí khô ở áp suất bình thườ ng. Buồng ion hoá thườ ng đượ c dùng để đo

liều lượ ng bằng các t ĩ nh điện k ế có bảng thể hiện k ết quả là R/h hoặc mR/s. Mỗi

loại buồng ion hoá có thể đo đượ c một phạm vi liều lượ ng khác nhau và đượ c chế

tạo vớ i nhiều dạng khác nhau: loại lớ n đặt ở phòng thí nghiệm, loại xách tay đi dã

ngoại, loại bút cài để đo liều nhiễu xạ của mỗi cá nhân v.v...

Hình 9.12

Một dụng cụ đo quan tr ọng thuộc loại này là buồng chuẩn liều (dose calibrator). Đó

là một buồng ion hoá có điện k ế chính xác và một bộ phận chứa đựng các ống

nghiệm cần xác định liều lượ ng phóng xạ.




134

Ống đế m G.M

Ống đếm G.M là dụng cụ ghi đo phóng xạ đượ c sử dụng r ất r ộng rãi. Có nhiều loại

ống đếm G.M vớ i công dụng và tính chất khác nhau nhưng nguyên tắc làm việc đều

giống nhau. Có hai loại thông dụng là ống đếm khí hữu cơ và ống đếm khí Halogen.

+ Ống đế m khí hữ u cơ

Vỏ ngoài ống đếm hữu cơ thườ ng bằng thuỷ tinh, hình chuông, đườ ng kính khoảng

20mm. Chính giữa có một cực dươ ng làm bằng sợ i vonfram r ất mảnh vớ i đườ ng

kính khoảng 0,1mm. Cực âm là một lá đồng cuộn ở trong lòng ống thủy tinh nối

vớ i một sợ i vonfram ra ngoài. Đáy ống làm bằng lá mica mỏng thườ ng đượ c gọi là

cửa sổ để cho các bức xạ bêta yếu có thể lọt qua. Sau khi hút hết không khí bên

trong, ngườ i ta nạ p các khí hữu cơ (hơ i r ượ u Etylic, Benzen, Isopentan v.v...) vớ i

áp suất khoảng 1 mmHg và khí tr ơ (thườ ng là Argon) áp suất khoảng 9mmHg.+ Ống đế m Halogen

Cực dươ ng của ống đếm G.M loại Halogen ở giữa cũng là sợ i dây vonfram. Cực

âm là một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng k ĩ thuật phun muối SnCl2

vào mặt trong ống.

Các khí Halogen như Brom,Clo v.v... đượ c bơ m vào trong ống thay cho khí hữu cơ

ở loại trên. Loại ống đếm Halogen để đo tia bêta và gamma.

Các khí hữu cơ hoặc Halogen có tác dụng hấ p thụ bớ t năng lượ ng đượ c sản sinh ratrong quá trình ion hoá để dậ p tắt nó, tạo ra các xung điện ngắn.




135

Tô ®iÖn Cao thÕ

KhuÕch®¹i métchiÒu

cÆp ion

R Vμo Ra

Điện áp làm việc của ống đếm G.M nói chung nằm ở đoạn IV trên hình 9.12. Cơ

chế tạo xung như đã trình bày ở trên. Một yếu tố quan tr ọng của ống đếm G.M là

thờ i gian chết. Nó có ý ngh ĩ a như sau: Khi bức xạ lọt vào trong ống đếm, sẽ gây

nên ion hoá các phần tử khí. Cườ ng độ điện tr ườ ng tác dụng lên các ion r ất mạnh

gây nên sự ion hoá thứ cấ p và số lượ ng ion đượ c sản sinh nhiều lên. Tuy vậy các

điện tử (ion âm) có khối lượ ng nhỏ dịch chuyển nhanh hơ n về cực dươ ng còn các

ion dươ ng có khối lượ ng lớ n dịch chuyển chậm hơ n về cực âm. Trong một thờ i

gian nhất định nào đó, các ion dươ ng tạo ra một màn chắn xung quanh cực dươ ng

làm cho cườ ng độ điện tr ườ ng bị giảm đi. Lúc này nếu có một tia khác lọt vào ống

đếm thì sẽ không ghi nhận đượ c. Mãi đến khi lớ p ion dươ ng đó đã hoàn toàn bị

cuốn hút về cực âm, điện tr ườ ng hồi phục lại như cũ thì ống đếm mớ i ghi nhận

Hình 9.13 Ống G - M M - cự c âm ; E - cự c d ươ ngS – thành thu ỷ tinh ; AB - cử a sổ

Hình 9.14Buồng ion hoá




136

đượ c tia mớ i. Thờ i gian giữa 2 lần ống đếm có thể ghi nhận đượ c ấy gọi là thờ i gian

chết của ống đếm. Độ dài của nó khoảng 100 - 300 μs đối vớ i ống đếm G.M.

Một đặc tr ưng nữa của ống đếm G.M. là hiệu suất đếm. Đó là xác suất để một bức

xạ lọt vào ống có thể đượ c ghi nhận. Hiệu suất đối vớ i tia bêta là 100% nhưng vớ i

tia gamma chỉ khoảng 1%. Sở d ĩ thế vì sự ion hoá tr ực tiế p các phân tử khí của tia

gamma r ất nhỏ.

Đó là các nguyên tắc chung về ghi đo phóng xạ. Trong y tế thườ ng có các trang bị

đặc biệt mà k ết quả đo đượ c thể hiện bằng con số, đồ thị, hình ảnh phân bố và mật

độ phóng xạ tại các mô, phủ tạng hoặc hệ thống hoạt động chức năng của cơ thể.

Các k ĩ thuật đó giúp xác định sự có mặt (định tính) và sự biến đổi về liều lượ ng và

mật độ phóng xạ (định lượ ng). Trên cơ sở các thông số đó ngườ i ta có thể suy đoán

đượ c các hoạt động chức năng sinh lí và bệnh lí của tế bào, mô, phủ tạng trong cơ thể.

11.3.3.1.4.Ghi đ o d ự a vào hiện t ượ ng nhiệt hu ỳnh quang

Một số chất như Liti Florid(LiF), Canci Sunfat(CaSO4 ), Canci Florid (CaF2) hoạt

hoá bằng Mn , Liti Borat có cấu trúc dặc biệt trong mạng tinh thể. Chúng sẽ tr ở

thành trung tâm phat huỳnh quang dướ i tác dụng của bức xạ ion hoá khi đượ c kích

thích bằng nhiệt. Cườ ng độ chùm photon huỳnh quang đó tỷ lệ vớ i liều bức xạ đượ c

hấ p thụ. Đó là nguyên lý của k ỹ thuật ghi đo nhiệt huỳnh quang (TLD).




137

PHẦNLÝ SINH Y HỌC




138

Chươ ng 12

CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆTĐỘNG VÀỨ NG DỤNG TRONG Y HỌC

12.1. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ Ứ NG DỤNG

TRONG Y HỌC

12.1.1. Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động)

Mọi tậ p hợ p các vật đượ c xác định hoàn toàn bở i một số các thông số v ĩ mô

độc lậ p vớ i nhau, đượ c gọi là hệ v ĩ mô hay hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ). Tất cả các

vật ở bên ngoài hệ đượ c gọi là môi tr ườ ng.

Mọi hệ có thể đượ c chia làm hai loại: Hệ cô lậ p và hệ không cô lậ p. Hệ cô

lậ p là hệ không trao đổi vật chất vớ i môi tr ườ ng bên ngoài. Hệ không cô lậ p gồm hệ

kín và hệ mở .- Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất, nhưng có trao đổi vớ i môi tr ườ ng

bên ngoài.

- Hệ mở là hệ trao đổi cả vật chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng bên ngoài.

Hệ sinh vật là một hệ mở vì nó luôn luôn trao đổi vật chất và năng lượ ng vớ i

môi tr ườ ng xung quanh. Tuy nhiên, hệ sinh vật khác vớ i hệ mở khác ở ba điểm.

- Cơ thể sinh vật là dạng tồn tại đặc biệt của protit và các chất khác tạo thành

cơ thể.- Cơ thể có khả năng tự tái tạo

- Cơ thể có khả năng tự phát triển

12.1.2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học

Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượ ng ta có: “Năng lượ ng không

tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ biến đổi từ dạng này sang

dạng khác”.

Năng lượ ng của hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng của hệ.

W = Wd + Wt + U (12.1)

Trong đó:

Động năng (Wd) là phần năng lượ ng ứng vớ i chuyển động có hướ ng của cả hệ.

Thế năng (Wt) ứng vớ i phần năng lượ ng tươ ng tác của hệ trong tr ườ ng lực.




139

Nội năng (U) là năng lượ ng bên trong của hệ bao gồm động năng và thế năng

của các phân tử, nguyên tử, điện tử trong nguyên tử và cả phần năng lượ ng trong

hạt nhân của nguyên tử. Nội năng là một hàm tr ạng thái tại các tr ạng thái khác nhau

thì có những giá tr ị khác nhau.

* Phát bi ể u nguyên lý 1

Độ biến thiên năng lượ ng toàn phần ΔW của hệ trong một quá trình biến đổi

có giá tr ị bằng tổng công A và nhiệt lượ ng Q mà hệ nhận đượ c trong quá trình biến

đổi đó.

Biể u thứ c: ΔW = A + Q (12.2)

Theo định luật bảo toàn cơ năng của hệ Wd + Wt = const nên ΔW = ΔU do đó ΔU

= A + Q.Phát biểu nguyên lý một cách khác ta có độ biến thiên nội năng của hệ có giá

tr ị bằng công và nhiệt mà hệ nhận đượ c trong quá trình biến đổi đó.

H ệ quả: Nếu ký hiệu A, Q là công và nhiệt mà hệ nhận đượ c, thì ký hiệu A’,

Q’ là công và nhiệt mà hệ sinh ra. A’ = -A; Q’ = -Q dẫn đến ΔU = A + Q suy ra Q =

ΔU + A’.

Vậy nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình có giá tr ị bằng độ biến thiên nội năng

của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó.

Trong hệ cô lậ p: A = Q = 0 → ΔU = 0 → U = const. Ta nói nội năng của hệ cô

lậ p đượ c bảo toàn.

Nếu Q = 0 → A = - ΔU. Ngh ĩ a là nếu không cung cấ p nhiệt cho hệ, mà hệ

muốn sinh công thì nội năng của hệ phải giảm.

Hệ quả 2 (định luật Hetxơ ): Hiệu ứ ng nhiệt của một quá trình hoá học phứ c

t ạ p không phụ thuộc vào các giai đ oạn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào tr ạng thái

đầu và tr ạng thái cuố i của quá trình đ ó.

Định luật Hecxơ đượ c ứng dụng phổ biến trong y học để xác định khả năng

sinh công (chính xác hơ n là nhiệt lượ ng) mà mỗi khẩu phần thức ăn sẽ sinh ra khi

cơ thể hấ p thu nó. Để xác định nhiệt lượ ng đó ngườ i ta đốt thức ăn trong một thiết

bị gọi là "Bom nhiệt” và xác định nhiệt lượ ng toả ra khi đã đốt cháy hoàn toàn.




140

Nhiệt lượ ng đó, theo định luật Hecxơ , đúng bằng nhiệt lượ ng mà lượ ng thức ăn này

sinh ra trong quá trình đồng hoá thức ăn của cơ thể.

12.1.3. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho hệ thống sống

Hoạt động sinh công của cơ thể khác vớ i các máy nhiệt thông thườ ng, nó đượ c

sinh ra do sự thay đổi của hệ thống sống nhờ các quá trình sinh hóa trong cơ thể.

Tính chất sinh nhiệt là tính chất tổng quát của hệ thống sống, nó đặc tr ưng cho

các tế bào đang có chuyển hóa cơ bản. Những chức năng sinh lý bất k ỳ cũng kéo

theo sự sinh nhiệt. Nguồn gốc nhiệt lượ ng cung cấ p cho ngườ i là thức ăn. Thức ăn

do cơ thể sử dụng thông qua quá trình đồng hóa để cải tạo các tổ chức tạo thành

chất dự tr ữ vật chất, năng lượ ng trong cơ thể, phát sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ của

cơ thể chống lại sự mất nhiệt và môi tr ườ ng xung quanh và dùng để sinh công trong

các hoạt động sống.

Nguyên lý 1 áp dụng trong hệ thống sống có thể viết dướ i dạng sau:

ΔQ = ΔE + ΔA + ΔM (12.3)

Trong đó: ΔQ là nhiệt lươ ng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn

ΔE là năng lượ ng mất do môi tr ườ ng xung quanh

ΔA là công mà cơ thể thực hiện

ΔM là năng lượ ng dự tr ữ Đây là phươ ng trình cơ bản của quá trình cân bằng nhiệt đối vớ i cơ thể ngườ i.

Ngườ i ta thấy r ằng năng lượ ng do thức ăn cung cấ p bằng năng lượ ng tỏa ra.

Nhiệt lượ ng đượ c sinh ra ở cơ thể đượ c chia làm hai loại: năng lượ ng sơ cấ p

và nhiệt lượ ng thứ cấ p.

Nhiệt lượ ng sơ cấ p xuất hiện do k ết quả phân tán năng lượ ng nhiệt trong quá

trình trao đổi vật chất bở i những phản ứng hóa sinh (xảy ra không thuận nghịch).

Nhiệt lượ ng này tỏa ra sau khi cơ thể hấ p thu thức ăn vào oxy. Nhiệt lượ ng thứ cấ p xuất hiện trong quá trình oxy hóa thức ăn đượ c dự tr ữ

trong các liên k ết giàu năng lượ ng (ATP). Khi các liên k ết này đứt, chúng giải

phóng năng lượ ng để thực hiện một công nào đó và cuối cùng biến thành nhiệt.




141

Nhiệt lượ ng tỏa ra khi đứt các liên k ết giàu năng lượ ng dự tr ữ trong cơ thể để điều

hòa các hoạt động chủ động của cơ thể đượ c quy ướ c là nhiệt thứ cấ p.

Đối vớ i cơ thể sống bình thườ ng: lượ ng năng lượ ng dự tr ữ vào cơ thể khoảng

50%. Khi bệnh lý thì lượ ng năng lượ ng này giảm xuống. Phần năng lượ ng do cơ thể

tỏa ra ở dạng nhiệt lượ ng sơ cấ p sẽ chiếm phần lớ n. Tỷ lệ trên phụ thuộc vào tỷ lệ

cườ ng độ tỏa nhiệt và cườ ng độ sinh nhiệt. Đối vớ i động vật máu nóng khi nhiệt độ

môi tr ườ ng thấ p hơ n thân nhiệt, thì nhiệt tỏa ra môi tr ườ ng, để cân bằng nhiệt của

cơ thể thì phải sinh nhiệt. Nhiệt lượ ng này là nhiệt lượ ng loại hai sản ra do co cơ

hoặc do tiêu dần năng lượ ng dự tr ữ của cơ thể (tiêu mỡ như động vật ngủ đông).

12.2. NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ Ứ NG DỤNG

TRONG Y HỌC

12.2.1. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và sự dịch chuyển Entropi trong hệ

thống sống

Nhượ c điểm của nguyên lý 1 là không cho biết chiều diễn biến của quá trình

biến đổi từ nhiệt và công, chỉ cho biết sự liên quan về lượ ng giữa chúng khi chúng

tham gia vào quá trình cho tr ướ c.

Nguyên lý 2 độc lậ p và khắc phục hạn chế của nguyên lý 1, nó xác định

chiều diễn biến của quá trình v ĩ mô và cho phép đánh giá khả năng sinh công của

các hệ nhiệt động khác nhau.

12.2.1.1. Khái ni ệm v ề Entropi

Xét hệ là một bình kín chia làm hai phần bằng nhau A và B bằng một vách

ngăn, có 6 phần tử giống nhau. Ban đầu là 6 phần tử ở A thì chỉ có duy nhất một

cách sắ p xế p.

- Nếu 5 phân tử ở A, 1 phân tử ở B thì có 6 cách phân phối.

2 4

1

3

65




142

Số phân tử ở phần

A B

Số cách phân phối (W)

(Xác suất nhiệt động)Xác suất toán học p

6 0 1 1/64

5 1 6 6/64

4 2 15 15/64

3 3 20 20/64

2 4 15 15/64

1 5 6 6/64

0 6 1 1/64

- Xác suất nhiệt động cho ta số cách có thể thực hiện phân phối các phân tử,

đại lượ ng này luôn ≥ 1.- Xác suất toán học p, cho biết khả năng xảy ra một phân phối nào đó.

Ta thấy hệ luôn luôn có xu hướ ng chuyển từ tr ạng thái có ít cách phân phối

sang tr ạng thái có nhiều cách phân phối (W lớ n). Ngườ i ta dùng W hay lnW làm đại

lượ ng để xác định chiều diễn biến của quá trình tự nhiên.

Định nghĩ a 1: Entropi S đượ c định ngh ĩ a như sau:

Đại lượ ng S = klnW là entropi của hệ trong đó k là hằng số Bonzman.

Qua ví dụ minh họa trên ta thấy chiều hướ ng diễn biến của quá trình theo

chiều tăng entropi.

Định nghĩ a 2: Gọi T nhiệt độ của hệ, δQ là nhiệt lượ ng mà hệ trao đổi, S là

entropi của hệ. Hệ tr ạng thái của entropi (S) của hệ sao cho biến thiên của entropi từ

tr ạng thái (1) đến (2) có giá tr ị bằng tích phân ∫2

1 T

Qδ

∫=−=Δ→2

1

12 T

QS S S

δ hay

T

QdS

δ =

(12.4)

Nhận xét:

- S là hàm tr ạng thái ngh ĩ a là một hàm chỉ phụ thuộc vào tr ạng thái đầu và

tr ạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình thay đổi tr ạng thái.

- S là đại lượ ng có tính cộng đượ c ngh ĩ a là S = S1 + S2 +....bằng tổng các

phần riêng biệt.




143

- ∫+=T

QS S

δ 0

S đượ c xác định sai kém nhau 1 hằng số

So là giá tr ị của S tại gốc tính toán, quy ướ c So = 0 khi T = 0K

Đơ n vị của S là J/K

Ý ngh ĩ a của entropi (S) cho ta biết khái niệm về mức độ hỗn loạn của 1 hệ

nào đó. Khi hệ nhận nhiệt chuyển động của các phân tử, nguyên tử tăng tươ ng ứng

vớ i S tăng và ngượ c lại khi hệ tỏa nhiệt S giảm.

12.2.1.2. N ăng l ượ ng t ự do

Từ biểu thức:T

QdS

δ = suy ra: δQ = TdS

Công mà hệ thực hiện có thể viết: δA = δQ - dU = TdS - dU

δA = - [dU - TdS] = - [dU - dTS] = -d[U - TS]

Đặt U - TS = F (F là năng lượ ng tự do của hệ) → δA = -dF

U = F + TS (12.5)

Năng lượ ng tự do không phải là một dạng đặc biệt của năng lượ ng, đây là

quy ướ c gọi tên phần nội năng của hệ đượ c dùng để thực hiện công nào đó, nói khác

đi nó đặc tr ưng cho khả năng sinh công của hệ. TS đượ c gọi là năng lượ ng liên k ết,

không có khả năng sinh công.

12.2.1.3. Nguyên lý 2 nhi ệt động h ọc

Nguyên lý 2 có một số cách phát biểu như sau:

- Tính tr ật tự của hệ cô lậ p chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần

- Không thể tồn tại trong tự nhiên một chu trình mà k ết quả duy nhất là biến

nhiệt thành công, không để lại dấu vết gì ở môi tr ườ ng xung quanh.

- Không thể chế tạo đượ c động cơ v ĩ nh cửu loại 2 tức là động cơ chuyển

động tuần hoàn, cho ta công bằng cách nhận nhiệt lượ ng và làm lạnh từ cùng một

nguồn (TomXơ n).

- Trong hệ cô lậ p chỉ những quá trình nào kéo theo việc tăng entropi mớ i có

thể tự diễn biến, giớ i hạn của sự tự diễn biến của chúng là tr ạng thái có tr ị số cực

đại của entropi (Nguyên lý tăng S).

12.2.2. Áp dụng nguyên lý 2 cho hệ thống sống

12.2.2.1. Tr ạng thái d ừ ng c ủa h ệ th ố ng s ố ng

- Ta có thể áp dụng nguyên lý 2 vào hệ thống sống vì hệ thống sống là hệ mở

đặc biệt, luôn xảy ra trao đổi vật chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng bên ngoài.




144

- Trong hệ cô lậ p: tr ạng thái cân bằng đượ c thiết lậ p sau khi phản ứng

hay quá trình biến đổi k ết thúc, hệ không thay đổi theo thờ i gian (khả năng sinh

công của hệ bằng 0, grad = 0, S của hệ lớ n nhất)

- Đối vớ i hệ thống sống ta dùng khái niệm tr ạng thái dừng là tr ạng

thái các tính chất của hệ không thay đổi, các thông số hóa lý, các đại lượ ng độnghọc đượ c bảo toàn (ví dụ như độ pH, To...) đượ c bảo toàn (khả năng sinh công của

hệ khác 0, grad = hằng số khác 0, S của hệ = hằng số, khác S max)

12.2.2.2. S ự bi ế n đổ i entropi trong h ệ th ố ng s ố ng

Tại tr ạng thái dừng S của hệ có giá tr ị không đổi, khi chuyển từ tr ạng thái

dừng này đến tr ạng thái dừng khác, S thay đổi một lượ ng: ΔS = S2 - S1.

Đối vớ i hệ mở trao đổi vật chất, năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng ngoài. Chia S

thành hai phần:

dS = dSi + dSe (12.6)

dSi là phần thay đổi S do tươ ng tác bên trong hệ (dSi luôn dươ ng).

dSe là phần thay đổi S do tươ ng tác bên ngoài (dSe có thể có giá tr ị dươ ng,

âm hoặc bằng 0).

- Khi dSe = 0, dS = dSi phần thay đổi S trong toàn hệ thống đượ c xác định

bằng sự tăng S bên trong hệ.

- Khi dSe > 0, dS > 0 thì S luôn luôn tăng.

- Khi dSe < 0 có 3 tr ườ ng hợ p:

+ | dSe | < | dSi | → dS = dSi + dSe > 0

+| dSe | > | dSi | → dS < 0 ⇒ S giảm, tính tr ật tự tăng.+ |dSe| = |dSi| → ds = 0 đây là tr ườ ng hợ p ứng vớ i tr ạng thái dừng là tr ạng

thái có S = const.

Từ công thức dS = dSi + dSe, chia cả 2 vế cho dt, ta có:

dt

dS

dt

dS

dt

dS ei += (12.7)

Phươ ng trình trên đượ c gọi là phươ ng trình Prigôgin.

Ở tr ạng thái dừng 0=dt

dS (12.8)

suy ra 0≠−=dt

dS

dt

dS ei

(12.9)

Biểu thức này cho thấy: ở tr ạng thái dừng, tốc độ tăng entropi trong cơ thể

bằng tốc độ trao đổi entropi vớ i môi tr ườ ng xung quanh và khác 0.

Tóm lại: Để duy trì sự sống cần phải trao đổi vật chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng

ngoài. Nói khác đi môi tr ườ ng ngoài là điều kiện tồn tại của hệ thống sống.




145

Chươ ng 13

VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT

13.1. CÁC HIỆN TƯỢ NG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT CƠ BẢN TRONG CƠ THỂ

SINH VẬTĐể đảm bảo cho một cơ thể sống hoạt động và phát triển thì trong nó phải

không ngừng diễn ra các quá trình vận chuyển của vật chất. Các quá trình này dù

đựơ c diễn ra ở dạng vi mô (như vận chuyển của vật chất qua màng tế bào) hay dạng

v ĩ mô (như vận chuyển của máu trong hệ tuần hoàn, vận chuyển của khí trong hệ hô

hấ p...) thì nhiệm vụ của chúng cũng là mang các chất cần thiết tớ i các cơ quan, các

bộ phận, các mô và tế bào cũng như đào thải các chất thải, chất có hại cho sự sống.

Quá trình vận chuyển vật chất là một quá trình phức tạ p xảy ra theo nhiều cơ

chế và phụ thuộc nhiều yếu tố:

- Bản chất của phần tử vận chuyển: Kích thướ c, điện tích, độ hoà tan...

- Hoạt động của cơ thể.

Tuy nhiên tất cả các quá trình vận chuyển này đều xảy ra theo những cơ chế

vật lí và có thể giải thích đượ c bằng những quy luật vật lí.

Phần dướ i đây, chúng ta sẽ đề cậ p đến những hiện tượ ng vận chuyển vật chất

cơ bản trong các cơ thể sống, giải thích sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào,

sự vận chuyển của máu và khí trên cơ thể sống ...

13.1.1. Các phân tử , ion và dung dịch trong cơ thể sinh vật

13.1.1.1. Các phân t ử vàion tr ong c ơ th ể

- Mọi cơ thể sinh vật đều chứa trong nó một số vô cùng lớ n các phân tử và

ion, đượ c phân bố và sắ p xế p một cách có tr ật tự cao .

- Mỗi phân tử hoặc ion trong cơ thể có thể đứng yên (một cách tươ ng đối)

hoặc chuyển động (thành dòng hay hỗn loạn).

- Các ion này có thể ở dạng đơ n giản như ion K +

, Na+

, Cl-

... những ion nàythườ ng vận động một cách linh động và chúng tạo ra xung quanh chúng một điện

tr ườ ng dày đặc.

- Các ion này cũng có thể ở dạng phức tạ p , chúng là các phân tử bị ion hoá.

Loại ion này thườ ng đứng yên tươ ng đối trong các tế bào. Ví dụ các phân tử H2O,

H2, C6 H6 , Hemoglobin...




146

- Các phân tử và ion trong cơ thể đảm trách 4 vai trò chính là:

1. Chúng là những yếu tố cấu trúc của cơ thể

2. Dự tr ữ, vận chuyển và giải phóng năng lượ ng

3. Một số phân tử chứa đựng toàn bộ thông tin cần thiết cho sự thực hiện

chươ ng trình tổ chức cơ thể sống (thông tin di truyền).4. Tạo nên các điện thế nghỉ, điện thế hoạt động trong các tế bào, mô

13.1.1.2. Dung d ị ch trong c ơ th ể sinh v ật

- Cơ thể sinh vật cũng chứa đựng nhiều loại dung dịch khác nhau . Ví dụ

nướ c, lipít, protein, các dung dịch mi xen (hidrô xít kim loại)... trong đó nướ c và

lipít là hai dung môi cơ bản và có vai trò quan tr ọng nhất.

- Vai trò của các dung dịch trong cơ thể sinh vật:

+ Vận chuyển vật chất từ nơ i này đến nơ i khác của cơ thể.

+ Là môi tr ườ ng để thực hiện các phản ứng hoá sinh.

+ Bao bọc và bảo vệ các tế bào, các tổ chức sống.

+ Là yếu tố không thể thiếu trong quá trình trao đổi vật chất qua màng, là

yếu tố dẫn điện trong các quá trình lan truyền xung điện sinh vật.

+ Điều hoà thân nhiệt.

13.1.2. Các hiện tượ ng vận chuyển cơ bản của vật chất trong cơ thể sinh vật

13.1.2.1. Hi ện t ượ ng khu ế ch tán

* Định nghĩ a: Ta đã biết, các phân tử luôn luôn chuyển động hỗn loạn nênkhi để hai tậ p hợ p phân tử đủ gần nhau thì dù chúng ở thể r ắn, lỏng hay khí chúng

cũng chuyển động ngẫu nhiên, xuyên lẫn vào nhau thì đó là hiện tượ ng khuếch tán

phân tử.

Trong một dung dịch có nồng độ chất hoà tan chưa bằng nhau, ở mọi điểm

thì thì sự khuếch tán sẽ dẫn đến hiện tượ ng san bằng nồng độ trên toàn thể tích.

* Bản chấ t: Bản chất của hiện tượ ng khuếch tán là sự chuyển động nhiệt hỗn

loạn của các chất hoà tan theo mọi phươ ng, dẫn đến tr ạng thái có nồng độ cân bằng

trên toàn thể tích, đó là tr ạng thái có xác suất nhiệt động lớ n nhất.

- Có thể minh hoạ bằng thí nghiệm đơ n giản sau: đổ một giọt mực vào một

cốc nướ c, sau một thờ i gian mặc dù ta không hề tác động, song các phân tử mực vẫn

sẽ loang r ộng dần ra và đến một lúc nào đó toàn bộ cốc nướ c đều có một màu xanh

của mực.




147

* C ơ chế : Hiện tượ ng khuyếch tán chính là sự chuyển động có hướ ng của

các phân t ử chấ t hoà tan trong dung dịch khi mà nồng độ của chúng còn có sự

chênh lệch. Cụ thể là các phân tử chất hoà tan sẽ chuyển động thành dòng từ phía

dung dịch có nồng độ cao sang phía dung dịch có nồng độ thấ p tức là cùng chiều

vớ i gradien nồng độ.

* Động l ự c: Trong hiện tượ ng khuyếch tán rõ ràng không cần có tác dụng

của ngoại lực, cơ thể cũng không cần tiêu tốn năng lượ ng mà chính sự không đồng

nhất về nồng độ hay nói cách khác chính sự tồn tại của Gradiên nồng độ là nguồn

động lực cho sự vận chuyển có hướ ng của các chất hoà tan.

Hiện tượ ng khuyếch tán diễn ra theo chiều sao cho Gradiên nồng độ giảm

dần và sẽ k ết thúc khi Gradiên nồng độ bằng không, khi đó sự chênh lệch về nồng

độ bị triệt tiêu.* Vai trò của khuyế ch tán trong các quá trình số ng:

- Trong cơ thể sinh vật, khuếch tán là một trong những hiện tượ ng vận

chuyển vật chất quan tr ọng nhất. Chẳng hạn trao đổi khí xảy ra ở phổi, ở các tế bào,

các tổ chức sống xảy ra theo cơ chế khuếch tán; các ion, Na+, Ca++, K +, Cl- khuếch

tán qua lại hai phía của màng chính là nguyên nhân tạo nên các hoạt động điện của

các tổ chức, các tế bào sống ...

13.1.2.2. Hi ện t ượ ng th ẩ m th ấ u* Màng bán thấ m: Trong tự nhiên có một số loại màng mà chúng chỉ cho

một số loại phân tử đi qua và ngăn lại một số loại phân tử khác đượ c gọi là màng

bán thẩm thấu.

- Trong cơ thể sinh vật có r ất nhiều màng bán thẩm thấu: màng tế bào, mao

mạch, thành ruột ...

- Ngày nay ngườ i ta cũng chế tạo đượ c một số màng bán thẩm thấu nhân tạo

(màng xelêfan, feroxyanua đồng ...).

* Định nghĩ a: Thẩm thấu là quá trình vận chuyển chất dung môi qua một

màng ngăn hai dung dịch có thành phần khác nhau. Quá trình vận chuyển đó không

có sự tham gia của các lực bên ngoài (như tr ọng lực, lực điện từ, lực đẩy _ ép của

thành mạch).




148

Ví dụ như sự vận chuyển của dung dịch các chất dinh dưỡ ng, nướ c từ gốc, r ễ

lên thân, lá, ngọn... trong cây xanh.

* Bản chấ t: Đối vớ i hiện tượ ng thẩm thấu, dòng vật chất chuyển động không

phải là các chất hoà tan mà cũng không phải là bản thân dung dịch mà là dòng dung

môi đượ c vận chuyển từ phía dung dịch có nồng độ thấ p hơ n sang phía dung dịch có

nồng độ cao hơ n qua màng ngăn cách (màng bán thấm).

* C ơ chế : Như vậy về cơ chế ở hiện tượ ng thẩm thấu, dòng vật chất chuyển

động từ phía dung dịch có nồng độ thấ p hơ n sang phía dung dịch có nồng độ cao

hơ n qua màng ngăn cách , ngh ĩ a là ngượ c chiều Gradien nồng độ.

* Động l ự c của hiện t ượ ng thẩ m thấ u - áp suấ t thẩ m thấ u:

Như

ta thấy

ở hi

ện t

ượ ng th

ẩm th

ấu dòng v

ật ch

ất (dung môi) chuy

ển

động

ngượ c chiều Gradiên nồng độ, nhưng bản thân cơ thể lại không cần chi phí năng

lượ ng cho quá trình vận chuyển này.

Vậy động lực nào là nguyên nhân gây nên dòng vật chất chuyển động, đó

chính là một đại lượ ng có tên gọi: áp su ấ t th ẩ m th ấ u nói cách khác sự chênh lệch

áp suất thẩm thấu giữa hai phía của màng bán thấm là nguyên nhân, động lực gây ra

hiện tượ ng vận chuyển vật chất này.

Để hiểu rõ khái niệm áp suất thẩm thấu và vai trò của nó đối vớ i quá trìnhvận chuyển vật chất, ta xét thí nghiệm đơ n giản sau:

- Lấy một phễu thuỷ tinh đã bịt miệng bằng một màng bán thấm (màng có

tính chất chỉ cho các phân tử nướ c đi qua, không cho các phân tử đườ ng qua).

- Nhúng ngượ c phễu vào chậu đựng nướ c cất sao cho mặt nướ c cất trong

chậu ngang bằng mặt dung dịch nướ c đườ ng trong phễu.

- Sau một thờ i gian ta thấy: mặt dung dịch nướ c đườ ng trong phễu sẽ cao hơ n

mặt nướ c trong chậu một khoảng bằng h.

- Phân tích nướ c trong chậu, ngườ i ta không thấy có

phân tử đườ ng, ngh ĩ a là: phân tử nướ c đã thấm qua màng

vào phễu, trong khi phân tử đườ ng không thấm qua màng để

từ trong phễu ra chậu. Hình 13.1




149

* Giải thích thí nghiệm:

Ở trong chậu toàn phân tử nướ c, nên số phân tử nướ c trong chậu do chuyển

động hỗn loạn đậ p vào mặt ngoài của màng bán thấm nhiều hơ n so vớ i số các phân

tử nướ c trong dung dịch nướ c đườ ng đậ p vào mặt trong của màng cho nên số phân

tử nướ c thâm nhậ p từ chậu vào phễu lớ n hơ n từ phễu vào chậu, ta thấy mức dung

dịch trong phễu tăng lên - nhưng khi đó áp suất thuỷ t ĩ nh trong phễu cũng tăng do

đó số phân tử nướ c trong phễu bị ép quay tr ở lại chậu tăng, đến một độ cao nào đó

của cột nướ c thì số phân tử nướ c vào và ra bằng nhau, tr ạng thái cân bằng đượ c

thiết lậ p đượ c gọi là tr ạng thái cân bằng thẩm thấu.

Nhận xét 1:

Ta thấy: Hình như nướ c bị ép từ chậu vào phễu bở i một áp lực, áp lực đó

đượ c gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch đườ ng trong phễu.- Nói cách khác: áp suất thẩm thấu của dung dịch nướ c đườ ng chính là động

lực của sự vận chuyển của các phân tử nướ c từ chậu vào phễu.

- Độ lớ n của áp suất thẩm thấu chính bằng áp suất thủy t ĩ nh gây bở i cột nướ c

đườ ng có chiều cao h so vớ i mặt nướ c trong chậu.

Lặ p lại thí nghiệm nhưng vớ i điều kiện thay nướ c cất trong chậu bằng dung

dịch nướ c đườ ng k ết quả cho thấy:

- Khi nồng độ nướ c đườ ng trong chậu nhỏ hơ n trong phễu: mực dung dịchtrong phễu vẫn dâng lên nhưng đến độ cao h” nhỏ hơ n h thì dừng lại.

- Khi nồng độ nướ c đườ ng trong chậu lớ n hơ n trong phễu: mực nướ c đườ ng

trong phễu tụt xuống thấ p hơ n mực dung dịch trong chậu, phân tử nướ c trong phễu

bị "hút" bớ t ra chậu qua màng.

Nhận xét 2: Qua thí nghiệm ta thấy: Mỗi dung dịch đều có một áp suất thẩm

thấu nhất định, nướ c sẽ bị hút về phía dung dịch có nồng độ lớ n hơ n.

Ngườ i ta cũng đã đưa ra công thức xác định áp suất thẩm thấu của một dung

dịch như sau:

m

mP RT

V=

μ (13.1)

Trong đó: m là khối lượ ng chất hoà tan.

μ là tr ọng lượ ng phân tử chất hoà tan.




150

Vm là thể tích dung dịch.

T là nhiệt độ dung dịch.

R là hằng số Clapayrông Mendeleep.

Từ công thức trên ta thấy:

C V m

m

=μ

là nồng độ của dung dịch

Khi đó: P = C.RT (phươ ng trình Vanhop). (13.2)

Ta thấy: Áp suất tỉ lệ thuận vớ i nồng độ chất hoà tan.

* Vai trò của áp suấ t thẩ m thấ u đố i vớ i cơ thể sinh vật và ứ ng d ụng của hiện

t ượ ng thẩ m thấ u trong y học.

Căn cứ vào áp suất thẩm thấu giữa hai dung dịch, ngườ i ta đưa ra các khái

niệm: đẳng tr ươ ng, nhượ c tr ươ ng, ưu tr ươ ng như sau:Xét hai dung dịch A và B có tươ ng ứng Pa và P b

- Nếu Pa = P b thì A là đẳng tr ươ ng đối vớ i B.

- Nếu Pa > P b thì A ưu tr ươ ng so vớ i B.

- Nếu Pa < P b thì A nhượ c tr ươ ng so vớ i B.

Trong y học, ngườ i ta đo đượ c huyết thanh có P = 7,7at ở 370C và lấy làm

chuẩn để so sánh các dung dịch khác. Chẳng hạn dung dịch NaCl O,9 0/0 cũng có P

= 7,7at đượ c gọi là dung dịch đẳng tr ươ ng (so vớ i máu) và gọi là nướ c muối sinh lý

hay muối ranhje còn dung dịch muối + glucoza có áp suất lớ n hơ n áp suất của máu

đượ c gọi là dung dịch ưu tr ươ ng...

- Ở trong cơ thể, nếu áp suất của một tổ chức hay cơ quan nào đó giảm (do ứ

đọng nướ c, mất muối...) thì cơ thể sẽ bị co giật, nôn mửa.

Ví dụ: Khi ngườ i bị thươ ng mất máu nhiều thì không đượ c cho bệnh nhân

uống nhiều nướ c làm áp suất của máu giảm dễ gây sốc.

- Nếu áp suất của máu có chiều hướ ng tăng (do r ối loạn hấ p thu, do lượ ng

muối tích luỹ tăng...) thì các tổ chức, tế bào sẽ có sự phân bố lại nướ c gây phù nề

(khi đó sự mất nướ c ở các niêm mạc gây cảm giác khát nướ c) làm mất thăng bằng

các hoạt động của hệ thần kinh và của các tổ chức khác cho nên ngườ i bị phù

thườ ng phải ăn nhạt.

- Khi pha thuốc tiêm, dịch truyền ngườ i ta thườ ng dùng dung dịch đẳng tr ươ ng.




151

- Ở các ổ nhọt, mưng mủ, các phân tử protein bị đứt gẫy làm tăng nồng độ vật

chất dẫn đến áp suất tăng, nướ c từ xung quanh bị hút về đây gây cảm giác căng tức.

- Các loại động thực vật khác nhau cũng có áp suất thẩm thấu khác nhau: cá

nướ c mặn có áp suất thẩm thấu r ất lớ n, còn ở ếch lại nhỏ hơ n ngườ i. Các loại thực

vật hút nướ c từ đất lên là nhờ có áp suất thẩm thấu lớ n, đặc biệt là các loại cây ở sa

mạc (áp suất thẩm thấu của cơ thể lớ n khoảng 170at).

13.1.2.3. Hi ện t ượ ng l ọc - siêu l ọc

Ta thườ ng gặ p hiện tượ ng lọc trong thực tế và trong đờ i sống hàng ngày. Thí

dụ: Lọc bột để loại bỏ các hạt to, lọc nướ c để loại bỏ các cặn đất...

* Định nghĩ a: Lọc là hiện tượ ng dung dịch chuyển thành dòng qua các lỗ của

màng ngăn cách dướ i tác dụng của lực đặt lên dung dịch như tr ọng lực, lực thủy

t ĩ nh, lực ép của thành mạch ... còn Siêu l ọc là hiện tượ ng lọc qua màng ngăn vớ i cácđiều kiện sau:

- Màng lọc ngăn lại các đại phân tử (protein, polime cao phân tử...) và cho

các phân tử , các ion nhỏ đi qua tuân theo nguyên lý cân bằng Gift-Donnald.

- Có thêm tác dụng của áp suất t ĩ nh. Tác dụng của áp suất thủy t ĩ nh làm thay

đổi lưu lượ ng của dòng dung dịch qua màng, cũng có thể làm đổi chiều của dòng.

* Bản chấ t: Trong hiện tượ ng lọc-siêu lọc dòng vật chất là dòng dung dịch

tức bao gồm cả dung môi và các chất hoà tan.* C ơ chế : Dòng vật chất có thể vận chuyển ngượ c hoặc cùng chiều các

gradien. Chiều vận chuyển của dòng vật chất trong tr ườ ng hợ p này là chiều của

tổng hợ p các lực tác dụng lên dung dịch.

* Động l ự c: Trong hiện tượ ng vận chuyển này cơ thể phải tiêu tốn năng

lượ ng (ví dụ năng lượ ng duy trì lực đẩy của tim, sự co giãn của thành mạch ...).

Năng lượ ng này sẽ do các phân tử dự tr ữ năng lượ ng ATP cung cấ p.

* Vai trò: Sự vận chuyển của nướ c qua thành mao mạch xảy ra theo cơ

chế lọc: trong đó huyết áp có khuynh hướ ng dồn nướ c trong máu ra khoảng gian

bào, ngượ c lại áp suất thẩm thấu keo lại dồn nướ c từ gian bào qua thành mao

mạch vào máu.




152

Trong các động mạch huyết áp lớ n hơ n áp suất thẩm thấu thì nướ c từ máu

thoát ra mao mạch, còn trong các t ĩ nh mạch áp suất thẩm thấu lớ n hơ n huyết áp thì

nướ c từ gian bào qua thành mạch vào máu.

Sự trao đổi chất đó thườ ng xảy ra ở thành mao mạch như một hiện tượ ng

siêu lọc mà động lực là sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của thành mạch.

Ở cầu thận cũng xảy ra hiện tượ ng siêu lọc: Cầu thận nằm ở vùng vỏ thận,

nó có hai thành phần hợ p thành là bọc Bowman và búi mao mạch cầu thận. Vật chất

trong huyết tươ ng chảy qua búi mao mạch cầu thận sẽ lọt qua thành mao mạch để

vào trong lòng bọc Bownman. Bở i vậy thành mao mạch và thành bọc Bowman gắn

vớ i nhau tạo tành màng lọc cầu thận. Màng lọc cầu thận cũng giống như các màng

mao mạch khác trong cơ thể, nhưng vì chức năng lọc lớ n hơ n nên có độ xố p lớ n

hơ n khoảng 25 lần.Bình thườ ng trong dịch lọc không có hồng cầu và lượ ng protein r ất thấ p vì

chúng không lọt qua đượ c màng, còn nướ c và các phân tử, các ion nhỏ xuyên qua

đựơ c màng lọc cầu thận ra đài bể thận.

Khi cầu thận bị bệnh lí, tức là khi màng lọc giảm hoặc mất chức năng lọc

hiện tượ ng siêu lọc bị phá vỡ và vì vậy trong dịch lọc ta thấy có các hồng cầu và

các phân tử protein (hiện tượ ng đái ra máu trong bệnh viêm thận).

Trong y học, hiện tượ ng lọc - siêu lọc đượ c sử dụng phổ biến trong k ỹ thuậtthẩm phân máu: Đó là phươ ng pháp loại bỏ ra khỏi máu các chất có hại bệnh lý sinh

ra (do thiểu năng thận) hoặc do các chất từ ngoài thâm nhậ p vào (thí dụ: do nhiễm

chất độc).

13.2. SỰ VẬN CHUYỂN CỦA VẬT CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

Mọi cơ thể sống đều gồm những đơ n vị cơ bản là tế bào bở i vì nó tự chuyển

hóa, tự điều hoà, tự thích nghi, tự sinh sản, v.v... từ đó xây dựng lên các mô, các cơ

quan và cơ thể sống. Tế bào luôn luôn phải trao đổi chất vớ i môi tr ườ ng. Bất k ỳ tế

bào nào cũng đều có khả năng hoạt động chỉ trong điều kiện mà sự thay đổi của các

chất cấu thành nội bào cũng như thành phần dịch bao quanh màng tế bào (dịch ngoài

bào) chưa vượ t ra khỏi giớ i hạn xác định. Tế bào bị tách r ờ i khỏi cơ thể còn có thể

sống trong một thờ i gian dài nếu như ta nuôi chúng trong dịch có tất cả các chất cần

thiết và giữ cho dịch có đủ điều kiện vật lý giống vớ i dịch cơ thể mà trong đó tế bào




153

tồn tại. ở các cơ thể sống có hàng loạt các cơ chế khác nhau để duy trì tính ổn định

của môi tr ườ ng bên trong và bên ngoài màng tế bào. ở đây cần lưu ý r ằng tính ổn

định đó không phải là k ết quả một tr ạng thái t ĩ nh mà là k ết quả của tr ạng thái cân

bằng động. Cơ sở của tr ạng thái cân bằng động đó có liên quan mật thiết đến chức

năng của màng sinh học và liên quan đến các cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế

bào như khuếch tán thụ động, vận chuyển tích cực, thực bào và ẩm bào.

13.2.1. Màng tế bào

Tế bào về phươ ng diện vật lý là một hệ nhiệt động mở , luôn luôn trao đổi

chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng xung quanh.

Ngày nay, bằng những phươ ng pháp nghiên cứu hiện đại ngườ i ta đã khẳng

định r ằng tế bào có cấu trúc r ất phức tạ p và cấu trúc của mỗi loại tế bào đều phù

hợ p vớ i chức năng và nhiệm vụ của nó. Nhưng tất cả các tế bào gồm ba phần chính:Màng tế bào, nguyên sinh chất (bào tươ ng) và nhân tế bào.

Mọi tế bào đều đượ c bao bọc bở i màng tế bào. Màng tế bào đóng vai trò:

- Bao bọc tế bào, phân định ranh giớ i giữa tế bào và môi tr ườ ng xung quanh,

làm cho tế bào thành một thể toàn vẹn khác môi tr ườ ng. Bảo vệ các thành phần của

tế bào tr ướ c tác động của môi tr ườ ng.

- Tiế p nhận, truyền đạt, xử lý thông tin từ môi tr ườ ng tớ i như nhận diện tế

bào quen, lạ, k ẻ thù; kích thích hoặc ức chế tiế p xúc giữa các tế bào, tế bào vớ i cơ chất; phản ứng vớ i các thông tin tớ i như phấn điện, chuyển động...

- Thực hiện trao đổi vật chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng góp phần thực

hiện các chức năng sống của tế bào trên cơ sở điều hoà các phản ứng men trong tế

bào, sử dụng hữu hiệu các dạng năng lượ ng (cơ , thẩm thấu, điện hoá,...) ở tế bào.

- Màng tế bào cũng có cấu trúc phù hợ p để thực hiện các vai trò trên. Hiện

nay có nhiều giả thuyết về cấu trúc màng tế bào, nhưng hầu hết đều cho r ằng màng

tế bào có chiều dày khoảng 50÷130μm. Trên màng có những lỗ thủng đườ ng kính

khoảng 7÷8μm và mỗi cm2 có khoảng 1010 lỗ như thế, diện tích chung của lỗ chỉ

chiếm một phần nhỏ cỡ 0,06% bề mặt tế bào. Màng tế bào ở các mô khác nhau có

thuộc tính lý hoá khác nhau nhưng đều có tính chất chung:

- Lưỡ ng chiết quang.

- Sức căng mặt ngoài nhỏ.




154

- Điện tr ở lớ n.

- Cấu trúc không đồng nhất.

Thành phần thườ ng là: ở giữa màng là hai lớ p phân tử phospholipid sắ p đặt

phân cực định hướ ng vuông góc vớ i bề mặt tế bào, có xu hướ ng ngăn cản các ion và

các chất hoà tan trong nướ c đi qua. Bao bọc hai phía tiế p theo là lớ p protein dạng

sợ i làm màng tế bào có tính đàn hồi và sức căng mặt ngoài nhỏ. Phía ngoài cùng và

trong cùng là lớ p protein dạng cầu có lẫn protein nhầy và glycolipid. ở glycolipid có

chứa các acid amin trung tính và các nhóm COOH của chúng tạo nên lớ p điện tích

âm ở mặt ngoài màng tế bào.

13.2.2. Vận chuyển của vật chất qua màng

Để nghiên cứu sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào có thể dùng các

phươ ng pháp sau:- Phươ ng pháp thẩm thấu dựa vào những khảo sát động học sự thay đổi thể

tích tế bào khi ta đặt chúng trong các dung dịch ưu tr ươ ng nồng độ khác nhau sau

đó ly tâm để tách tế bào, đo thể tích tế bào, đo mật độ quang học của dung dịch, đo

chiết suất dung dịch...

- Phươ ng pháp sử dụng các chất màu, cơ sở của phươ ng pháp này là khảo sát

tốc độ thâm nhậ p của các chất màu. Vớ i phươ ng pháp này, nếu nồng độ thấ p thì khó

xác định k ết quả. Nếu nồng độ cao thì độc cho tế bào.- Phươ ng pháp phân tích vi lượ ng hoá học dựa trên sự nghiên cứu các chất có

trong tế bào bằng phươ ng pháp phân tích kinh điển.

- Phươ ng pháp đồng vị phóng xạ cho phép nghiên cứu sự vận chuyển vật

chất qua màng tế bào bằng cách thay thế đồng vị thườ ng bằng đồng vị phóng xạ.

Phươ ng pháp này cho ta k ết quả chính xác cao nhất về định lượ ng, đồng thờ i không

gây những biến đổi bất thườ ng cho các đối tượ ng cần duy trì ở tr ạng thái sống.

Những khả năng khác của phươ ng pháp này r ất lớ n; phân tách đượ c các dòng vật

chất vào tế bào, các dòng vật chất trong nội bộ cơ thể và dòng do tươ ng tác vớ i môi

tr ườ ng ngoài, tách những chất độc và lạ, xác định tr ạng thái, cấu trúc...

Dựa vào các thành phần vật chất đi qua màng sinh vật ngườ i ta chia các loại

màng trên cơ thể sinh vật ra làm 4 loại sau:

1- Màng gần lý tưở ng về bán thấm, chỉ cho các phân tử nướ c đi qua.




155

2- Màng cho phân tử nướ c và một số phân tử có tạo tinh thể đi qua.

3- Màng cho tất cả các chất hoà tan, tr ừ chất keo đi qua.

4- Màng sinh vật ở tr ạng thái “rây” cho tất cả các chất hoà tan k ể cả keo đi qua.

Đa số các loại màng trong cơ thể sinh vật thuộc loại 2 và 3. Màng tế bào

thuộc loại 2, thành mao mạch thuộc loại 3. Màng loại 4 có r ất ít trong cơ thể tr ừ

tr ườ ng hợ p khi bị tổn thươ ng, chẳng hạn khi ngườ i bệnh thiếu oxy, thành mao mạch

xuất hiện khuynh hướ ng để cho các chất protein qua.

Về phươ ng thức vận chuyển vật chất qua màng ngườ i ta nhận thấy có hai

phươ ng thức chủ yếu:

1 - Hoạt tan vào các lipid có trong màng tế bào. Vận chuyển bằng phươ ng

pháp này có các chất hữu cơ không hoà tan trong nướ c và các chất có chứa nhóm

phân cực như metyl (CH3), etyl (C2H5), phenyl (C6H5).2 - Xâm nhậ p vào tế bào qua lỗ màng: Vận chuyển theo phươ ng pháp này có

các ion và phân tử vật chất hoà tan trong nướ c và các chất có chứa nhóm phân cực

hydroxyl (OH), cacboxyl (COOH), amin (NH2). Phươ ng pháp đồng vị phóng xạ đã

khẳng định r ằng sự xâm nhậ p qua lỗ màng không phải luôn luôn là do sự thẩm thấu.

Ngườ i ta giả thiết là trong các lỗ màng có chứa đầy nướ c có các ion dươ ng hoặc âm

do k ết quả của hiện tượ ng hấ p thụ các ion. Bở i vậy những hạt vật chất mang điện trái

dấu dễ dàng thâm nhậ p vào tế bào còn các hạt cùng dấu thì bị đẩy ra. Nếu có hai phầntử tích điện cùng dấu lọt vào lỗ màng thì chúng cản nhau. Các ion hydro và hydroxyl

tuy có bán kính bé nhưng thực tế hoàn toàn không từ ngoài vào tế bào. Sở d ĩ như vậy

là vì chúng có tính linh động cao, dễ xế p thành nhóm trên bề mặt của màng tế bào và

chúng sẽ đẩy các điện tích cùng dấu. Chính vì vậy mà tế bào tr ở thành không thấm

đối vớ i các acid và bazơ mạnh, các acid và bazơ yếu lại thấm dễ dàng.

13.2.3. Động lự c và cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế bào

Vận chuyển vật chất qua màng là một quá trình r ất phức tạ p. Dựa vào sự

khác nhau tươ ng đối về động lực và cơ chế ngườ i ta chia vận chuyển vật chất qua

màng tế bào làm 3 loại chính như sau:

- V ận chuy ể n th ụ động

- V ận chuy ể n tích c ự c

- Th ự c bào và ẩ m bào




156

13.2.3.1. V ận chuy ể n th ụ động

Vận chuyển thụ động là quá trình vận chuyển vật chất qua màng có động lực

là các loại gradien khác nhau tồn tại ở hai phía của màng. Năng lượ ng chi phí cho

các vận chuyển này đượ c lấy ngay ở phần năng lượ ng dự tr ữ trong các gradien, tế

bào không phải cung cấ p thêm năng lượ ng lấy từ phải ứng hóa sinh. Chiều vận

chuyển vật chất do tổng các vectơ gradien ở vùng màng quyết định.

Các loại gradien thông thườ ng tồn tại ở vùng màng của tế bào sống là:

- Gradien nồng độ: Xuất hiện khi có sự chênh lệch nồng độ của một chất nào

đó giữa trong tế bào và dịch bao quanh tế bào. Vì ở tế bào có r ất nhiều loại chất

khác nhau do đó có nhiều gradien nồng độ.

- Gradien thẩm thấu: Xuất hiện khi có sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu

giữa bên trong và bên ngoài tế bào.Ở tế bào sống thì sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu keo r ất quan tr ọng.

- Gradien màng xuất hiện khi có màng bán thấm: Các phân tử có kích thướ c

nhỏ qua màng dễ dàng, còn các đại phân tử thâm nhậ p qua màng vào tế bào hoặc

thoát ra ngoài khó. K ết quả là nồng độ ở hai phía của màng tế bào sẽ khác nhau.

- Gradien độ hòa tan: Xuất hiện ở ranh giớ i hai pha không tr ộn lẫn đượ c

trong tr ườ ng hợ p chất đã cho có độ hòa tan trong hai pha không giống nhau. Sự

phân phối nồng độ của bất k ỳ chất gì hoà tan đượ c trong nướ c và mỡ đều phải tuântheo định luật Nerst: “ở nhiệt độ xác định, tỉ số nồng độ một chất hoà tan trong hai

pha lỏng tiế p xúc không tr ộn lẫn vào nhau, là một đại lượ ng không đổi khi đạt tớ i

tr ạng thái cân bằng nhiệt động”.

1

2

Ck

C= k gọi là hệ số phân phối. (13.3)

C1 và C2 là nồng độ chất tan của một chất nào đó ở hai pha.

- Gradien điện hoá: Gây ra bở i sự chênh lệch thế điện hoá. Sự chuyển động

của các ion theo thế điện hoá có thể xảy ra cả trong tr ườ ng hợ p khi chúng dịch

chuyển chống lại gradien nồng độ hay chống lại gradien điện thế vì gradien điện

hoá là k ết quả của các hiệu ứng hoá học và điện.

Do có nhiều loại gradien ở vùng màng nên sự vận chuyển vật chất qua màng

không chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ giữa trong và ngoài màng. Thí dụ:




157

do có gradien màng mà nồng độ kali ở trong tế bào thườ ng xuyên lớ n gấ p 30÷50 lần

nồng độ của nó trong huyết thanh hay dịch mô.

Chiều vận chuyển vật chất phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tươ ng quan giữa các gradien ở vùng màng (về cả chiều và giá tr ị).

- Mức độ trao đổi chất.

- Tươ ng quan giữa các quá trình tổng hợ p và phân huỷ các đại phân tử quan

tr ọng nhất trong thành phần nguyên sinh chất.

Thí dụ: như ở tế bào già, các nucleotid bị phân huỷ, các gốc phosphat và K +

thải qua màng ra môi tr ườ ng bên ngoài; ở các tế bào non gốc phosphat và K + lại

chuyển theo chiều ngượ c lại, chúng đượ c tích luỹ trong tế bào bằng cách gắn vào

các nucleotid.

Khi tế bào sắ p chết thì sự vận chuyển vật chất qua màng tăng lên một cáchkhông thuận nghịch và tế bào mất khả năng vận chuyển chọn lọc.

Vận chuyển thụ động vận chuyển qua màng tế bào có thể thực hiện theo

nhiều cơ chế khác nhau, song khuếch tán là cơ chế chủ yếu. Ta quan tâm đến ba

dạng khuếch tán:

- Khuếch tán đơ n giản.

- Khuếch tán liên hợ p.

- Khuếch tán trao đổi.* Dạng khuế ch tán đơ n giản: khuếch tán đơ n giản là dạng khuếch tán mà vật

chất chuyển động thành dòng trong dung môi dướ i tác dụng của gradien nồng độ.

Các phân tử nướ c và các anion thườ ng khuếch tán theo cơ chế này.

Gọi Δn là số phân tử hoà tan khuếch tán qua diện tích S trong khoảng thờ i

gian Δt áp dụng định luật Fick ta có:

t x

C S Dn Δ

ΔΔ

−=Δ ... (13.4)

Mật độ dòng vật chất khuếch tán đượ c xác định bằng công thức:

xC

Dt S

nΔΔ

−=Δ

Δ=

.φ

(13.5)

Tr ườ ng hợ p khuếch tán qua màng có chiều dày thì:




158

C

n D.S. . t P.S. C. t.Δ

Δ = − Δ = − Δ Δ

(13.6)

Trong đó:l

D p =

Là hệ số thấm của màng.Vậy Δn = S.P.(C1 - C2).Δt.

Hay φ = - P.ΔC. (13.7)

Có thể xác định đượ c giá tr ị của P bằng thực nghiệm. Hệ số thấm P của

màng phụ thuộc vào:

- Tác động qua lại của các phần tử và ion cùng đi qua màng.

- Sự tham gia của các phân tử và ion vận chuyển vào các quá trình trao đổi

vật chất trong tế bào.- Tốc độ vận chuyển của dung môi qua màng.

- Nếu chất khuếch tán là chất điện li thì lượ ng chất khuếch tán qua màng còn

phụ thuộc vào độ linh động U+ của các ion dươ ng và U - của các ion âm thể hiện

qua hệ số khuếch tán D đượ c tính bằng công thức:

22.R.T U .U

D .F U U

+

+=

+ (13.8)

Trong đó: R là hằng số Clapeyron - Mendeleev.T và nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch điện li.

F là hằng số Faraday.

Tốc độ của một chất nào đó qua màng bằng con đườ ng khuếch tán đơ n giản

đượ c xác định bở i tính hoà tan của chúng trong lipid và bở i kích thướ c của các phân

tử khuếch tán. Những chất hoà tan trong nướ c mà có phân tử lớ n hơ n 8 μm (ngh ĩ a là

lớ n hơ n đườ ng kính của lỗ) thì thườ ng là không thể đi qua màng. Nhiều phân tử tích

điện thườ ng là Hydrat hoá ngh ĩ a là có bao một lớ p vỏ có tích nhiều phân tử nướ c và

cái vỏ nướ c ấy đã làm tăng cao “đườ ng kính hiệu ứng” của các phân tử khuếch tán,

trong tr ườ ng hợ p đó tốc độ khuếch tán của chúng bé hơ n tốc độ khuếch tán của các

ion tự do không bị Hydrat hoá. Các lỗ hoạt động như thể là thành của chúng mang

điện tích dươ ng. Mỗi điện tích dươ ng đượ c bao bở i một vùng tích t ĩ nh điện như thế

hướ ng vào lòng của lỗ. Mỗi một ion tích điện dươ ng cũng dượ c bao bở i một vành




159

tích t ĩ nh điện và hai điện tích cùng dấu đó đẩy nhau. Do đó mà các phân tử tích điện

dươ ng r ất khó khăn và chậm chạ p xuyên qua màng, cả khi kích thướ c của chúng

nhỏ hơ n 8 μm.

* Khuế ch tán liên hợ p: Khuếch tán liên hợ p là quá trình vận chuyển vật chất

qua màng theo gradien nồng độ, song các phần tử vật chất chỉ lọt qua màng khi đượ c

gắn vào phần tử khác gọi là chất mang. Các chất glucose, glycerin, cidamin và một số

chất hữu cơ khác vận chuyển theo cơ chế này. Quá trình này mang đặc tính “động

học bão hoà”: khi vớ i nồng độ phân tử chất thâm nhậ p ít ở trong dung dịch ngoài

thì tốc độ vận chuyển của chúng vào trong tế bào là tỷ lệ thuận vớ i nồng độ đó.

Tuy nhiên khi có nồng độ cao hơ n thì tỉ lệ thuận không đượ c quan sát thấy vì

chất mang đã “no” r ồi. Các chất mang có tính đặc tr ưng, chúng chỉ có thể liên

k ết vớ i một loại phân tử hoặc là phân tử khác nhưng phải có cấu trúc r ất giốngvớ i loại trên. Chính vì vậy mà thực tế các phân tử đườ ng có cấu tạo hoá học

giống nhau sẽ cạnh tranh vớ i nhau về miền liên k ết vớ i chất mang.

Phân tử chất xâm nhậ p vào tế bào còn gọi là cơ chất, ký hiệu là C, phân tử chất

mang là M có thể k ết hợ p vớ i nhau thành phức chất MC hoặc MC phân li thành M và C:

M + C MC

Ký hiệu nồng độ phức chất MC ở mặt trong và mặt ngoài là [ Mc]tr và

[MC]ng thì mật độ dòng vật chất MC qua màng là:

[ ] [ ]tr ngD

( MC MC )l

ϕ = − − (13.9)

φ phụ thuộc vào các yếu tố:

- Tốc độ xuất hiện phức chất MC. Tốc độ này một phần phụ thuộc vào số

phân tử cơ chất C tiế p xúc vớ i màng trong một đơ n vị thờ i gian, một phần phụ thuộc

vào số phần tử chất mang M phân phối trong một đơ n vị diện tích màng.

- Tốc độ di chuyển của phức chất MC.

- Tốc độ phân li của phức chất MC.

Nói chung tốc độ di chuyển của các phức chất nhỏ, do đó mật độ cơ chất đi

vào tế bào không lớ n.




160

Ta xét khuếch tán liên hợ p ở tr ạng thái cân bằng động là lúc số phân tử

phức chất đượ c tổng hợ p và phân li bằng nhau. Gọi k 1 là hệ số phân ly thì số

phân tử phức chất phân ly là N1:

[ ] MC k N 11 =

Gọi k 2 là hệ số phân ly thì số phân tử phức chất đượ c tổng hợ p là N2:

[ ][ ]r M C k N .22 =

Trong đó [M1] là nồng độ các chất mang chưa k ết hợ p vớ i cơ chất. Nếu gọi

[M] là nồng độ của toàn bộ chất mang ở vùng xác định mà ta xét, [Mg] là nồng độ

chất mang đã k ết hợ p vớ i cơ chất thì:

[ ] [ ] g r M M M −=

Hiển nhiên là: [ ] MC M g =

Do đó: [ ] [ ][ ] MC M M r −=

[ ] [ ] [ ]( ) MC M C k N −= ..22

Cân bằng động ta có: N1 = N2

Hay: [ ] [ ] [ ] [ ]( ) MC M C k MC k −= ..21

Đặt: k k

k =

2

1

Ta sẽ có: [ ]

[ ][ ]

[ ]C k

C M

MC +=

.

Khi ấy ta có: [ ] [ ]

[ ][ ]

[ ] ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

+−

+=

ng

ng

tr

tr

C k

C

C k

C M

l

Dφ (13.10)

* Khuế ch tán trao đổ i: Cũng như khuếch tán liên hợ p, khuếch tán trao đổi

xảy ra khi có sự tham gia của chất mang song chỉ khác là phân tử chất mang thực

hiện một quá trình vận chuyển vòng. Sau khi mang phân tử cơ chất ra phía ngoài

màng tế bào r ồi, phân tử chất mang lại gắn ngay vớ i một phân tử cơ chất khác cùng

loại ở ngoài màng tế bào r ồi lại vận chuyển nó vào phía trong tế bào.

Dựa vào cơ chế khuếch tán này chúng ta có thể giải thích đươ c sự vận

chuyển của các ion Na+ qua màng hồng cầu trong tự nhiên do trong sự kiện đánh

dấu phóng xạ mà thấy các Na+ của hồng cầu nhanh tróng đổi chỗ cho các Na+ trong

huyết thanh trong khi nồng độ Na+ ở huyết thanh và trong hồng cầu không thay đổi.




161

13.2.3.2. V ận chuy ể n tích c ự c

Vận chuyển tích cực chỉ có thể xảy ra khi có sự tham gia của các phân tử

chất mang. Các chất mang phải đặc hiệu đối vớ i cơ chất hoặc cũng có thể không đặc

hiệu (ngh ĩ a là không nhất thiết cần một chất nhât định mà có thể có nhiều chất hoá

học tươ ng tự đảm nhiệm việc “mang cơ chất”).

Hai đặc tr ưng chính của vận chuyển tích cực là:

- Hiện tượ ng vận chuyển vật chất luôn xảy ra theo chiều hướ ng ngượ c vớ i

chiều của Gradien nồng độ hoặc ngượ c chiều vớ i Gradien điện hoá khi cơ chất là

các ion.

- Hiện tượ ng vận chuyển luôn cần đượ c cung cấ p năng lượ ng. Nguồn cung

cấ p năng lượ ng là từ sự phân ly Glycogen, do sự hô hấ p hoặc từ sự thuỷ phân

adenozin triphotphat (ATP).Quá trình vận chuyển đượ c gọi là tích cực nếu dòng vật chất từ môi tr ườ ng

ngoài đi vào tế bào, gọi là xuất tiết nếu vật chất từ tế bào đi ra môi tr ườ ng ngoài.

Có thể chia vận chuyển tích cực làm 3 cơ chế:

- Chuyển dịch nhóm: ở đây cơ chất đượ c vận chuyển bị thay đổi qua sự tạo

thành những liên k ết đồng hoá tr ị mớ i, năng lượ ng để vận chuyển bằng năng lượ ng

cần thiết để tạo ra cơ chất.

- Vận chuyển tích cực tiên phát: là tạo ra những liên k ết đồng hoá tr ị mớ itrong chất mang, năng lượ ng để vận chuyển diễn ra bằng năng lượ ng cần thiết để

làm ta đổi hình dạng chất mang.

- Vận chuyển tích cực thứ phát: ở đây cơ chất đầu đượ c vận chuyển một cách

tích cực, ví dụ Na+ tạo ra thế năng Gradien điện hoá, mà thế năng này hướ ng sự vận

chuyển của cơ chất thứ hai, ví dụ như đườ ng, axit amin theo Gradien này.

Dướ i đây trình bày về dẫn truyền Na+ và K + (thuộc loại cơ chế vận chuyển

tích cực tiên phát) là thí dụ điển hình của vận chuyển tích cực. Đây là sự vận

chuyển các ion Na+ và K + theo chiều chống lại Gradien điện hoá, chuyển vận này

chỉ xảy ra khi có mặt ATP và các ion Mg++, đồng thờ i khi ấy ATP thuỷ phân giải

phóng năng lượ ng. Qua tính toán Hotkin thấy r ằng năng lượ ng giải phóng ra do quá

trình phân huỷ 1 mol ATP có thể đủ để vận chuyển 1 mol ion dươ ng chống lại

Gradien điện hoá. Sự hao tổn năng lượ ng lớ n như vậy chỉ đúng vớ i tr ườ ng hợ p vận




162

chuyển của các ion H+ qua màng tế bào dạ dày. Còn đối vớ i vận chuyển Na+ thì cứ

1 mol ATP vận chuyển đượ c 3 mol Na+ và trong hồng cầu gần 2 mol K + đi vào thì

có 3 mol Na+ đi ra.

Cơ chế vận chuyển các ion Na+ và K + có thể giải thích bằng sơ đồ sau:

1- M1 + Na+ + MgATP NaM1 ~ P + Mg++ + ADP

2- NaM1 ~ P NaM2 ~ P

3- NaM2 ~ P M2 ~ P + Na+

4- M2 ~ P + K + KM2 ~ P

5- KM2 ~ P KM1 ~ P

6- KM1 ~ P M1 ~ P + K +

Ở giai đoạn (1) Na+ gắn vào chất mang M1, chất mang này xuất hiện cùng

vớ i MgATP ở trong của màng tế bào. Quá trình photphorin hoá xảy ra, cung cấ p

năng lượ ng cho phức hợ p “Na-chất mang” là NaM1 ~ P lọt qua màng tế bào. Do tác

dụng của chất X ở ngoài màng tế bào, cấu trúc của phức hợ p NaM1 ~ P bị biến đổi

thành phức hợ p NaM2 ~ P trong giai đoạn (2) tức là M1 bị biến đổi thành M2. Do

chất mang M2 gắn r ất yếu vớ i Na+ nên phức hợ p này bị phân ly trong giai đoạn (3)

và Na+ đi ra môi tr ườ ng bên ngoài. ở giai đoạn (4) chất mang M2 gắn vớ i K + ở mặt

ngoài tế bào tạo thành phức hợ p KM2 ~ P, phức hợ p này đi vào phía trong tế bào.

Trong giai đoạn (5) ở mặt trong tế bào, do tác dụng của chất phân ly, phức hợ p KM2

~ P biến thành KM1 ~ P, tức là M2 biến đổi tr ở thành M1. Do ái lực hoá học của M1

vớ i K + nhỏ (lớ n đối vớ i Na+) nên phức hợ p phân ly trong giai đoạn (6) giải phóng

K + và P vào trong tế bào. Quá trình sau đó đượ c tiế p diễn từ đầu.

Như vậy quá trình vận chuyển tích cực Na+ và K + luôn xảy ra đồng thờ i vớ i

sự thuỷ phân ATP. Các k ết quả thực nghiệm đã chứng minh r ằng để xảy ra sự thuỷ

phân ATP cần có một loại men đặc hiệu là adenzin triphotphataza.

13.2.3.3. Th ự c bào và ẩ m bào

Một quá trình vận chuyển vật chất khác bổ xung cho vận chuyển thụ động và

tích cực là hiện tượ ng thực bào và ẩm bào. ở hiện tượ ng này, các chất hoà tan trong

nướ c, các protein và các hạt gồm một số phân tử khá lớ n có thể xâm nhậ p vào tế bào

nhờ chức năng tích cực của màng tế bào mà không cần khuếch tán qua lỗ màng.




163

Màng tế bào có đặc tính là có khả năng bắt giữ các vật liệu khác nhau nằm

bên ngoài tế bào, chúng hình thành nên các chỗ lồi, bao lấy vật liệu nào đấy trong

môi tr ườ ng và cuối cùng khép kín lại và như vậy vật liệu đó đã đi sâu vào trong tế

bào. Các không bào đượ c tạo thành bằng cách như vậy đi sâu vào trong tế bào chất,

ở đây chất chứa trong không bào sẽ bị xử lý. Trong kiểu vận chuyển vật chất từ môi

tr ườ ng vào trong tế bào như thế thì tính toàn vẹn của màng tế bào không hề bị phá

huỷ. Quá trình đó đượ c gọi là thực bào - Khi các không bào lớ n đượ c tạo thành có

chứa các phần tử có hình dạng nhất định và đượ c gọi là ẩm bào (hay uống bào) nếu

như không bào r ất bé chỉ chứa các chất hoà tan.

Khả năng thực bào không chỉ có ở các vi sinh vật mà còn thấy ở một số loại

tế bào của sinh vật đa bào. ở động vật có vú, các bạch cầu hạt hoặc các tế bào có

nguồn gốc trung bì (hệ võng mạc nội mô) có khả năng thực bào. Hiện tượ ng thực bào bị chi phối chủ yếu bở i các yếu tố hoá lý như tươ ng tác hoá học, diện tích bề

mặt của màng và của các hạt.

Hiện tượ ng ẩm bào thườ ng xảy ra khi trong môi tr ườ ng có các chất hoà tan

đặc tr ưng như protein, và các acid amin, kiềm hoà tan... Khi đó, ở các amip sẽ hình

thành các chân giả ngắn và trong mỗi chân giả sẽ xuất hiện các rãnh có hình sóng

chạy từ đỉnh đến phần gốc chân giả, ở phần cuối cùng của rãnh, không bào đượ c hình

thành và về sau không bào này tách ra khỏi chân giả và đi sâu vào tế bào chất. Đốivớ i tế bào động vật bậc cao thì khi ẩm bào cũng xảy ra chuyển động hình sóng của

màng, nhưng không hình thành các rãnh, các không bào đượ c tạo thành sẽ dính vớ i

các phân tử protein tậ p trung ở trên màng (lớ p protein này có nồng độ gấ p đến 50 lần

nồng độ dung dịch protein ở môi tr ườ ng). Sau đó màng lõm vào trong tế bào và hình

thành các bóng riêng biệt. Các phân tử protein (A, vòng đen) ở dung dịch bên ngoài

sẽ liên k ết vớ i những phần đặc tr ưng trên bề mặt của màng tế bào (B) sau đó màng

lõm vào (C) và tạo thành các bóng bào chất (D) có chứa các phân tử bị bắt giữ.

Quá trình thực bào và ẩm bào giống quá trình vận chuyển tích cực ở chỗ là chỉ

xảy ra khi đượ c cung cấ p năng lượ ng (nguồn năng lượ ng cũng là ATP) và là cơ chế

vận chuyển có chọn lọc qua màng tế bào. Cơ chế này đã cho phép giải thích các phân

tử lớ n hoà tan trong nướ c qua màng, thí dụ các phân tử protein hoặc acid nucleic.




164

Ta cần chú ý thêm r ằng ở quá trình thực bào và ẩm bào, tế bào hấ p thụ cả chất

độc. Các chất đưa vào trong tế bào đượ c tiêu hoá bằng các loại men có trong thành phần

của màng hoặc bằng các men có khả năng phân huỷ r ất cao chứa trong các hạt lyzosom.

Nhờ có màng tế bào vớ i các dạng vận chuyển vật chất thụ động, chủ động, thực

bào và ẩm bào mà tế bào trao đổi vật chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng xung quanh.

Sự trao đổi vật chất dướ i dạng nào cũng phải tiêu tốn năng lượ ng: đó là năng lượ ng dự

tr ữ dướ i dạng gradien hoặc năng lượ ng của sự phân huỷ ATP một cách chủ động theo

yêu cầu của hoạt động sống. Hoạt động của màng tế bào như vậy có thể coi là một dấu

hiệu quan tr ọng trong các dấu hiệu biểu thị hoạt động sống.

Ngoài ra còn có quá trình ngượ c lại trong đó các không bào có màng bao bọc sẽ bị

dính vào màng và các chất chứa trong không bào sẽ bị bài tiết ra ngoài, đặc biệt là ở

các tế bào tiết thườ ng đượ c gọi là quá trình bài xuất.




165

Chươ ng 14

LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP

14.1. LÝ SINH TUẦN HOÀN

Sự vận chuyển máu có vai trò quan tr ọng trong cơ thể, nó đem dinh dưỡ ng,O2 cung cấ p cho các cơ quan, nhận từ các cơ quan các chất thải, khí CO2 ngoài ra

còn có tác dụng điều hòa thân nhiệt. Vì vậy nếu chỉ cần ngừng hoạt động tuần hoàn

trong thờ i gian ngắn cơ thể sẽ bị chết.

Trong hệ tuần hoàn máu tim và mạch máu đóng vai trò động lực.

14.1.1. Tính chất vật lý của hệ tuần hoàn

Hệ tuần hoàn gồm 2 vòng kép kín:

- Vòng tiểu tuần hoàn: máu chuyển từ tim phải đến phổi, ở đó máu thải CO2

và hấ p thụ O2 r ồi lại chảy về tim trái.

- Vòng đại tuần hoàn đưa máu từ tim trái đến động mạch r ồi đến các cơ quan,

tổ chức cung cấ p O2, chất dinh dưỡ ng trao đổi chất lấy CO2, các chất thải đổ về t ĩ nh

mạch r ồi về tim phải.

- Trong buồng tim máu theo chiều từ

tâm nh ĩ đến tâm thất các dòng máu trong tim

và ngoài tim chạy theo một chiều nhất định

nhờ co bóp của tim, tính đàn hồi của các

mạch máu, các van trong buồng tim và trong

lòng mạch.

14.1.1.1. Tim

Hoạt động của tim: co bóp đều đặn.

Hoạt động co giãn cơ tim tuần tự theo chiều

dọc từ N (nh ĩ ) → T (thất) nhưng đồng thờ i

vớ i nhau theo chiều ngang ngh ĩ a là 2 nh ĩ và

2 thất co hoặc giãn đồng thờ i, nhưng sau khi

tâm nh ĩ co r ồi mớ i đến tâm thất co. Quá trình

đó đượ c lặ p đi lặ p lại theo một chu kì điều hòa.

N

T

N

T

MÔCƠ QUAN

PHỔI

P HẢ I

T RÁ I

Hình 14.1. S ơ đồ hoạt động củahệ tuần hoàn




166

Chu kì đó bao gồm các hoạt động tâm nh ĩ thu (co) tâm thất thu, tâm nh ĩ tr ươ ng

(giãn) và tâm thất tr ươ ng. Thờ i gian tồn tại các hoạt động này tùy thuộc vào nhị p đậ p

của tim. ở ngườ i bình thườ ng chu k ỳ này chiếm 0,8s trong đó tâm nh ĩ thu 0,1s, tâm

nh ĩ tr ươ ng 0,7s. Còn thâm thất thu 0,3 s và tâm thất tr ươ ng 0,5 s.

Thực ra tâm thất thu có 2 giai đoạn:- Giai đoạn tăng áp chiếm 0,25 s (tr ươ ng lực cơ tăng lên nhưng sợ i cơ chưa

rút ngắn) và giai đoạn đẩy máu (lúc này máy đượ c đẩy ra tối đa vì sợ i cpư rút lại

ngắn nhất) giai đoạn dẩy máu chiếm 0,05 s.

Tim hoạt động đều tạo nhị p 60 ÷ 80 lần co giãn/phút.

Buồng tim có thể coi là dạng cầu, khi máu chứa đầy buồng tim các sợ i cơ

đượ c giãn dần ra dướ i tác dụng của lực F.

F = P.S (14.1)

P: Áp suất trong buồng tim

S: Diện tích bề mặt trong buồng tim

S = 4πR 2 , (14.2)

V = 3

4

3 Rπ (14.3)

F max khi máu về tim nhiều nhất lúc đó p tăng lúc đó buồng tim đượ c giãn

r ộng làm cho S tăng.

Ngườ i bình thườ ng ở cuối tâm tr ươ ng thể tích tâm thất 85 ml nhưng cuối tâm

thu giá tr ị đó là 25ml

Do đó lực F biến thiên theo thờ i gian tùy theo giá tr ị của S, ngườ i ta đo đượ c

lúc đầu tâm thu giá tr ị lực toàn phần của cơ tim là 89 N, ở cuối tâm thu là 67 N

Do vậy mỗi lần tim co bóp một lượ ng máu đượ c đẩy ra vớ i áp suất gần bằng

áp suất của trong buồng thất trái (120 - 150 tor). Lượ ng máu đượ c tim đẩy ra phụ

thuộc vào sức co bóp của tim.

Bằng phươ ng pháp pha loãng vớ i các chất màu hay đồng vị phóng xạ đánh dấu

ngườ i ta xác định đượ c là lượ ng máu đượ c đẩy ra mỗi lần co bóp khoảng 40 - 70ml tức

là khoảng 4 - 6 lít/phút.

14.1.1.2. M ạch máu

* Cấu tạo của thành mạch

Cấu tạo của hệ thống mạch máu trong cơ thể dày đặc và phân phối tươ ng đối

đồng đều khắ p cơ thể.




167

Động mạch chủ, t ĩ nh mạch chủ có đườ ng kính lớ n nhất còn đườ ng kính mao

mạch là nhỏ nhất.

Cấu tạo của các thành mạch chủ yếu là các cơ liên k ết, cơ sợ i đàn hồi và các

thớ cơ tr ơ n.

Sự co giãn cơ tr ơ n để thay đổi tiết diện lòng mạch đượ c điều khiển bằng hệ thần kinh thực vật và các nội tiết tố.

Trong lòng mạch còn chứa các hệ thống van, làm cho máu chỉ chảy theo một

chiều nhất định.

* Tác dụng đàn hồi của thành mạch

Thành động mạch đóng vai trò quan tr ọng để duy trì dòng chảy liên lục và

tăng thêm áp suất dòng chảy ta tiến hành thí nghiệm để thấy vai trò của ống đàn hồi

mô tả thí nghiệm như hình vẽ bên:

Cho k ẹ p tháo nướ c liên tục ta

thấy ở ống cứng nướ c chảy ngắt quãng

theo nhị p k ẹ p đóng mở .

Còn ở ống cao su nướ c chảy

thành dòng liên tục và lưu lượ ng lớ n

hơ n. Trong thành ống xuất hiện sóng

đàn hồi có thể quan sát đượ c.

Mỗi lần mở k ẹ p chất lỏng đượ c cung cấ p một áp suất để chuyển động, đồng

thờ i cũng nhận đượ c một phần năng lượ ng để giãn r ộng ra, như vậy sự biến dạng

đàn hồi của các thành ống đã đóng vai trò quan tr ọng của chất lỏng chuyển động trong

ống cao su và chuyển động của máu trong thành mạch cũng vậy.

Lực đặt lên thành mạch tại một điểm đượ c xác định bở i hệ thức:

F =

Δ..S E

(14.4)

Trong đó: ℓ là chiều dài vật và Δ ℓ là sự biến dạng theo chiều dài của vật; E

là mô đun đàn hồi hay mô đun Young của vật.

Công thực hiện do sự biến dạng này sẽ đượ c tính theo giá tr ị trung bình F.

A = F. Δ ℓ = 2.2

1

Δ

ES (14.5)

Công này tạo ra thế năng Et của biến dạng đàn hồi vớ i

Et =2.

2

1

Δ

ES (14.6)

Hình 14.2




168

Vậy thế năng của thành mạch tỷ lệ vớ i bình phươ ng của độ biến dạng ( 2Δ ).

Ta thấy mạch giãn càng r ộng (Δ ℓ càng lớ n) thì thế năng dự tr ữ càng lớ n. Thế

năng này rõ ràng có giá tr ị biến thiên tùy thuộc vào Δ ℓ ở từng thờ i điểm.

Ở thờ i k ỳ tim không co bóp áp suất dòng chảy giảm xuống dần. Thế năng ở

thành mạch sẽ cung cấ p áp suất cho dòng chảy liên tục và điều hòa trong suốt cả

thờ i k ỳ tâm tr ươ ng.

Kèm theo sự lan truyền áp suất dọc theo thành mạch là sóng mạch. Sóng

mạch có thể cảm giác đượ c dướ i tay. Tốc độ sóng mạch ở động mạch chủ là 4m/s -

5m/s tức là sau một co bóp của tim (tâm thu) kéo dài tớ i 0,3s sóng mạch đã lan

truyền đượ c 1,2 - 1,5m. Tốc độ lan truyền của sóng mạch không liên quan đến tốc

độ chảy của máu trong lòng mạch. ở ngườ i lớ n tuổi, do các thay đổi về thành phần

và cấu tạo của thành mạch, tính đàn hội bị giảm đi và do vây tốc độ lan truyền củasóng mạch cũng tăng lên.

Vì vậy việc giữ cho thành mạch đảm bảo đàn hồi là vấn đề quyết định giải

quyết vấn đề về bệnh tim mạch. Nếu uống r ượ u, hút thuốc, hoặc sử dụng các chất

kích thích sẽ làm sơ cứng, sơ vữa động mạch làm giảm khả năng đàn hồi gây các

bệnh tim mạch.

14.1.1.3. Tr ươ ng l ự c c ủa m ạch máu - H uy ế t áp động m ạch

Máu luôn luôn lưu thông trong hệ tuần hoàn. Xét ở đoạn mạch ta thấy áp

suất từ trong lòng mạch tác động ra thành mạch chủ yếu là áp suất thủy t ĩ nh. Nếu

không có áp suất tác dụng ngượ c lại thì thành mạch giãn nở tối đa, có thể làm vỡ

mạch. Có lực chống lại đó là nhờ cấu trúc của thành mạch và các yếu tố sinh học

phức tạ p khác, ở đây ta gọi chung là áp lực của mô. Tuy thế ở động mạch bao giờ

cũng tồn tại sự chênh lệch giữa 2 giá tr ị đó để cho máu lưu thông:

p = pi - pe > 0 (14.7)

pi là áp suất từ trong lòng mạch ra, pe là áp suất ngoài vào. ở tr ạng thái cân

bằng thành mạch phải có một lực chống lại áp suất p đó, p đượ c gọi là áp suất củathành mạch và là nguồn gốc của tr ươ ng lực của mạch máu.

Mạch máu có hình tr ụ vớ i bán kính r và nếu xét trên một đơ n vị chiều dài thì

lực từ trong ra tác dụng vào toàn bộ thành của đoạn mạch đó là: Fi = 2πr.pi

Suy ra lực tác dụng từ ngoài vào là Fe = 2πr.pe và giá tr ị của thành mạch sẽ là:

2πrp = 2πr (pi - pe)




169

Lực đó do các sợ i đàn hồi và tổ chức liên k ết trong thành mạch gây ra. ở đây

cần phải dùng đến khái niệm tr ươ ng lực của thành mạch T, đượ c biểu diễn bằng

dyn/cm hoặc N/m.

T = L

F =

S

E → E = T.S (14.8)

Do vậy ta có: dE = T. 2πdr (14.9)

Sự cân bằng đạt đượ c khi giá tr ị năng lượ ng của lực căng đó cân bằng vớ i giá

tr ị năng lượ ng của lực co:

T = dE/2πdr = 2π pdr/2πdr Hay T = pr (14.10)

T biểu thị huyết áp động mạch và không phải là áp suất dòng chảy trong

lòng mạch.

Theo công thức trên, huyết áp của một động mạch nào đó là tích số của ápsuất thành mạch ở đó nhân vớ i bán kính r của nó.

Cần nhắc lại r ằng áp suất thành mạch là hiệu số của áp suất từ trong lòng

mạch ra tr ừ đi áp suất từ ngoài tổ chức vào. Hiệu số đó nói lên khả năng đàn hồi của

thành mạch. Chính vì vậy khi thành mạch bị biến chất, tính đàn hồi thay đổi thì

huyết áp cũng thay đổi mặc dầu áp suất dòng chảy trong lòng mạch không thay đổi.

Tất nhiên tất cả các yếu tố ảnh hưở ng dẫn đến áp suất dòng chảy trong lòng mạch

như sự co bóp của tim, lưu lượ ng và thể tích máu... đều ảnh hưở ng đến huyết áp.

Ta suy ra hệ quả sau: Vớ i một giá tr ị T xác định, bán kính r càng bé thì giá

tr ị áp suất thành ống p càng lớ n. Như thế ngh ĩ a là chất lỏng chảy vớ i áp suất lớ n,

những ống có bán kính bé chịu đựng tốt hơ n các ống lớ n.

14.1.2. Sự thay đổi của áp suất và tốc độ chảy của máu trong các đoạn mạch

T ố c độ dòng chả y, áp suấ t chả y của máu phụ thuộc vào tiế t diện lòng mạch:

tốc độ chảy của máu ở động mạch chủ là 10 - 20m/s, động mạch cở là 5,2m/s. Lúc

xuống mao mạch chỉ còn là 5mm/s.

Theo định luật Bernoulli, chúng ta hiểu r ằng ở mao mạch, do tốc độ chảy r ất

chậm nên khả năng trao đổi thể dịch giữa máu và tổ chức xung quanh đã tăng lên vì

ở đây áp suất thủy lực tăng lên nhiều và tốc độ chảy giảm xuống thấ p nhất. Tuy vậy

khi về đến t ĩ nh mạch đùi, tốc độ chảy của máu là 4,5cm/s, t ĩ nh mạch cổ là 14,7cm/s.




170

Như vậy tốc độ chảy của máu giảm dần từ động mạch lớ n đến mao mạch r ồi

lại tăng dần từ mao mạch đến t ĩ nh mạch. Ta biết khối lượ ng máu chảy qua các đoạn

mạch đều giống nhau, ngh ĩ a là ở các đoạn mạch đó vẫn đảm bảo quy luật tích số

giữa vận tốc máu chảy và tiết diện lòng mạch là không đổi. Do đó vận tốc chảy của

máu nơ i có tiết diện nhỏ cao hơ n nơ i có tiết diện lớ n.

Cần lưu ý ở đây là tiết diện của các mạch không phải là tiết diện của một

mạch riêng biệt mà là tổng tiết diện của tất cả các mạch ở từng phần. Tuy tiết diện

của một tiểu động mạch nhỏ hơ n động mạch chủ nhưng do phân thành nhiều nhánh

nên tổng tiết diện của tiểu động mạch lớ n hơ n của động mạch chủ và ngượ c lại tổng

tiết diện của tiểu động mạch lại nhỏ hơ n của mao mạch.

Các đo đạc cụ thể cho thấy tổng tiết diện tăng dần từ động mạch chủ đến mao mạch

r ồi giảm dần từ mao mạch đến t ĩ nh mạch chủ. Tổng tiết diện của mao mạch lớ n gấ p 400 -

800 lần tiết diện của động mạch chủ và bằng 200 - 400 lần tổng tiết diện của các t ĩ nh mạch

nhỏ. Do đó tốc độ chảy máu không giống nhau ở các đoạn mạch.

V ận t ố c dòng chả y, áp suấ t chả y của máu phụ thuộc vào chiề u dài mạch: khối

lượ ng máu chảy qua đoạn mạch trong một đơ n vị thờ i gian sẽ lớ n khi đườ ng kính lớ n,

chiều dài ngắn và ngượ c lại. Có thể biểu diễn độ chênh lệch áp suất Δ p ở hai đầu một

đoạn mạch để hiểu rõ những yếu tố ảnh hưở ng đến áp suất đó theo công thức:

Δ p = 4

8

R

Q

π

η (14.11)

η là hệ số nhớ t của máu, Q là lưu lượ ng máu, ℓ là chiều dài và R là bán kính

lòng mạch. ở đây chỉ mớ i lưu ý đến yếu tố hình học (ℓ và r) của đoạn mạch. Như

vậy độ chênh lệch áp suất Δ p lớ n khi máu chảy qua một đoạn mạch dài và hẹ p,

ngượ c lại độ chênh lệch áp suất chảy giữa hai đầu đoạn mạch liên quan vớ i lực ma

sát giữa dòng chảy và thành mạch. Độ chênh lệch này càng lớ n sẽ làm cho áp suất ở đầu cuối đoạn mạch càng xuống thấ p (Hình 14.3).

A: Động mạch lớ n; B: Động mạch nhỏ; C: Mao mạch; D: T ĩ nh mạch; E:

T ĩ nh mạch chủ




171

Trong hệ tuần hoàn, độ chênh lệch áp suất giữa 2 đầu đoạn mạch sẽ tùy

thuộc vào đoạn mạch đó là động mạch, mao mạch hay t ĩ nh mạch. Lòng mạch có

bán kính R càng bé làm cho áp suất

chảy ngày càng giảm xuống. ở ngườ i

bình thườ ng chiều dài tổng cộng các

mạch lên tớ i trên 10.000km.

Hình 14.4 cho thấy sự thay đổi

của áp suất và tốc độ chảy của máu

trong các đoạn mạch. Một trong những

nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi

đó là sự phân nhánh của các mạch máu.

Hệ thống mạch máu trong cơ thể đi từ tim gồm động mạch chủ, các động

mạch lớ n, động mạch nhỏ r ồi đến mao

mạch, t ĩ nh mạch nhỏ, t ĩ nh mạch lớ n và

t ĩ nh mạch chủ. Mạng động mạch càng

xa tim càng phân nhánh nhiều. Vì vậy

áp suất dòng chảy ngày càng giảm.

T ố c độ dòng chả y, áp suấ t chả ycủa máu phụ thuộc vào sứ c cản ngoại vi

của mạch: nhìn chung áp suất dòng chảy

bị giảm dần. Nguyên nhân của sự hao hụt

áp suất đó là lực ma sát xuất hiện giữa thành mạch và máu chảy trong lòng mạch.

Nếu gọi Δ p là độ giảm áp suất giữa 2 đầu một đoạn mạch và Fc là sức cản

của đoạn mạch. Ngườ i ta đã chứng minh đượ c r ằng:

Δ p = Fc.V (14.12)

V là thể tích máu chảy qua đoạn mạch trong một đơ n vị thờ i gian.

Như vậy Fc =V

pΔ Hay: Fc = 4

8

r

l

π

η (14.14)

Như vậy sức cản chung của mạch ngoại vi phụ thuộc vào các yếu tố hình học

(r và ℓ ) của hệ mạch và phụ thuộc vào hệ số nhớ t của máu. Ap lực ở đầu hệ tuần

Hình 14.3. T− ¬ng quan gi÷a tèc ®éch¶y cña m¸u (1) vµ tæng tiÕt diÖn cña

lßng m¹ch (2). A. §éng m¹ch lín.

B. §éng m¹ch nhá. C. Mao m¹ch.

D. TÜnh m¹ch. E. TÜnh m¹ch chñ n¬i ®æ vµo tim.

A B C D E

Hình 14.4. A: Động mạch l ớ n; B: Độngmạch nhỏ; C: Mao mạch; D:T ĩ nh mạch;

E: T ĩ nh mạch chủ nơ i máu đổ về tim




172

hoàn tức là trong tâm thất trái khoảng 140 Tor, áp suất máu ở cuối hệ tức là trong

tâm nh ĩ phải khoảng 5 Tor. Thể tích máu lưu thông khắ p hệ mạch trong vòng 1 phút

là 5ℓ (tức là 83ml/s). Như vậy sức cản của hệ mạch ngoại vi là:

Fc = 5,183

5130≈

− đơ n vị (14.14)

Khi gắng sức, áp lực ở động mạch chủ có thể tăng lên đến 150 Tor và lưu

lượ ng tăng lên gấ p 3. Lúc đó sức cản ngoại vi Fc = 5,0383

5130≈

− x

đơ n vị. (14.15)

Như thế ngh ĩ a là khi cần thiết, do hoạt động của tim nhanh lên và ảnh hưở ng

của nhiều yếu tố mạch máu, lưu lượ ng máu tăng lên đã làm cho sức cản ngoại vi

của hệ mạch chỉ còn 1/3 giá tr ị lúc bình thườ ng.

Ở những bệnh nhân cao huyết áp, áp lực ở động mạch chủ có thể tăng lên

đến 200 Tor nhưng lưu lượ ng máu lại không tăng lên đượ c liên quan vớ i việc giá tr ị

của sức cản ngoại vi tăng lên: Fc = 3,283

5200≈

−đ.v. (14.16)

Sức cản tăng lên hơ n gấ p đôi đó làm cho hoạt động của tim càng khó khăn thêm.

14.1.3. Đặc điểm về thể dịch của máu và hệ tuần hoàn máu

Thành phần chủ yếu của chất lỏng trong cơ thể (thể dịch) là nướ c. Nướ c

chiếm đến 3/4 tr ọng lượ ng cơ thể ngườ i và chia thành 2 khu vực lớ n: trong tế bào và

ngoài tế bào. ở ngoài tế bào nướ c chiếm khoảng gian bào (giữa các tế bào, mô) vàtrong lòng mạch.

Ngày nay vớ i các phươ ng pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu bằng S35, Na24,

Br 82, Cl38... có thể xác định chính xác lượ ng nướ c đó. Nướ c trong lòng mạch chiếm

5% tr ọng lượ ng cơ thể.

Ngoài các tế bào máu, máu còn chứa nhiều thành phần khác, tr ướ c hết là các

muối vô cơ và hợ p chất hữu cơ . Các muối vô cơ trong huyết tươ ng tạo cho máu một

áp suất thẩm thấu đáng k ể. áp suất thẩm thấu của máu đượ c xác định bằng biểu thức:

P = RTC hoặc P = RTM

C

P là áp suất thẩm thấu. R là hằng số. M là tr ọng lượ ng phân tử chất hòa tan.

C là nồng độ chất tan tính theo g/l (hoặc mol/l). Giá tr ị C ở ngườ i bình thườ ng là 0,3

mol/l. T là thân nhiệt tính bằng nhiệt độ K.




173

Áp suất thẩm thấu của máu đóng vai trò quan tr ọng đối vớ i hoạt động của tế

bào, mô và cơ quan. Cơ thể điều chỉnh sự phân bố nướ c ở các khu vực trong cơ thể

chủ yếu thông qua áp suất thẩm thấu. Bình thườ ng máu có giá tr ị áp suất thẩm thấu

ít thay đổi.

Một thành phần quan tr ọng của huyết tươ ng là protein. Protein chiếm 7 - 8%

tr ọng lượ ng huyết tươ ng. Chúng bao gồm chủ yếu là albumin, globulin và một phần là

fibrinogen. áp suất thẩm thấu do lượ ng protein chỉ vào khoảng 25 - 30 Tor và chiếm một

phần của huyết tươ ng. Tuy vậy protein trong máu tạo nên một tr ạng thái keo và gây ra

áp suất keo. Tác dụng của áp suất keo là gây nên sự chuyển vận của nướ c qua thành

mạch ngượ c chiều vớ i chuyển vận do áp suất thủy lực (do tim co bóp và tính đàn

hồi của thành mạch) lớ n hơ n áp suất keo (do lượ ng protein huyết tươ ng quyết định).

Vì vậy ở động mạch, nướ c có xu hướ ng khuếch tán từ trong lòng mạch ra tổ chứcxung quanh. Trong t ĩ nh mạch thì ngượ c lại, áp suất thủy lực r ất thấ p và thườ ng có

giá tr ị nhỏ hơ n áp suất keo. Do vậy chiều di chuyển nướ c t ĩ nh mạch là từ các dịch

gian bào vào lòng mạch. Chính vì vậy trong những tình tr ạng suy tim, áp suất thủy

lực giảm hay trong nhiều tình tr ạng bệnh khác nhau, lượ ng protein huyết tươ ng

giảm sút làm cho nướ c lưu lại ở tổ chức nhiều hơ n bình thườ ng mà lượ ng khuếch

tán vào lòng mạch ít đi, gây nên hội chứng phù nề. Do vậy protein cũng có một vai

trò đáng k ể trong chuyển hóa và phân bố nướ c trong cơ thể.Do có cấu tạo như vậy cho nên trong máu xuất hiện lực ma sát đáng k ể khi lưu

thông. Ta có thể rút ra: Δ p =4R

.8

π

η Q

(14.17)

Công thức này đã đượ c vận dụng để giải thích ảnh hưở ng của các yếu tố hình

học của mạch máu lên áp suất và tốc độ chảy của máu.

Liên hệ vào hệ tuần hoàn ta thấy độ nhớ t của máu quyết định bở i thể tích các

tế bào máu (nhất là hồng cầu) và thành phần các chất trong huyết tươ ng.

Hệ số nhớ t riêng của máu là 5. Do có độ nhớ t lớ n cho nên ma sát trong

chuyển động máu khá lớ n, áp suất và tốc độ chảy của máu thay đổi đáng k ể. Sự biến

đổi của áp suất chảy Δ p và tốc độ chảy v hay của thể tích máu V chảy qua một đoạn

mạch tuân theo công thức Poiseuille. Như vậy có ngh ĩ a là các hồng cầu chuyển




174

động trong máu không những chịu tác dụng của áp suất chảy do tim co bóp và tính

đàn hồi của thành mạch mà còn chịu tác dụng của lực cản do ma sát nữa.

Nếu lấy máu ra ngoài cơ thể và cho vào một ống thủy tinh dựng thẳng đứng

thì hồng cầu có thể lắng đọng dần. Khi lắng như vây hồng cầu chịu tác dụng của 3

lực: tr ọng lực P, lực đẩy Archimède P' và lực cản nội ma sát F do độ nhớ t. Chiều

của lực Archimède và lực nội ma sát ngượ c vớ i chiều của tr ọng lực. Lực nội ma sát

tỷ lệ thuận vớ i vận tốc lắng máu v của hồng cầu. Khi hồng cầu lơ lửng không lắng

thi P + P' cần bằng vớ i tr ọng lực P. Nói cách khác lúc đó tổng đại số các lực tác

dụng trên hồng cầu bằng 0.

P = P' + F hoặc P - P' - F = 0

Thay giá tr ị của các lực đó ta có:4

3 πr 3ρg -3

4 πr 3ρg - 6πηvr = 0 (14.18)

Trong các ống thủy tinh chiều dài không lớ n lắm (10 - 20cm) và đườ ng kính

1 - 2mm, có thể coi hồng cầu lắng vớ i tốc độ đều. Tốc độ đó sẽ có giá tr ị tỷ lệ

nghịch vớ i thờ i gian lắng của hồng cầu hay tỷ lệ thuận vớ i chiều cao cột huyết

tươ ng nổi lên ở phần trên của ống. Ở ngườ i bình thườ ng sau 1 giờ cột huyết tươ ng

cao khoảng 3mm ở nam và 7mm ở nữ. Rõ ràng tốc độ lắng của hồng cầu phụ thuộc

vào các yếu tố bán kính r của hồng cầu, mật độ P của nó, mật độ P' của huyết tươ ng

và hệ số nhớ t η của máu. Vì những lý do bệnh lý các yếu tố đó thay đổi làm cho tốc

độ lắng của hồng cầu thay đổi, có khi đến 100mm/giờ . Ngườ i ta đã áp dụng việc cácđịnh tốc độ lắng của hồng cầu để đánh giá những thay đổi về thành phần và số

lượ ng của tế bào máu cũng như của huyết tươ ng...

14.1.4. Nhữ ng yếu tố khách quan ảnh hưở ng đến tuần hoàn máu

Có nhiều yếu tố ảnh hưở ng đến tuần hoàn máu. Tr ướ c hết là các hoạt động

chủ quan của cơ thể làm tăng quá trình chuyển hóa, các r ối loạn bệnh lý ở ngay hệ

tuần hoàn và các hoạt động sinh học khác của cơ thể. ở đây ta chỉ đề cậ p đến các

yếu tố khách quan, quan tr ọng ảnh hưở ng tr ực tiế p đến hoạt động của tim, thành

mạch hay khối lượ ng thể dịch trong cơ thể.

14.1.4.1. Ho ạt động c ủa c ơ b ắp

Tr ọng lượ ng của cơ vân chiếm đến 40% tr ọng lượ ng cơ thể. Khi cơ hoạt

động mạnh (lao động chân tay ...) nhu cầu năng lượ ng của nó tăng lên, do đó hệ

tuần hoàn phải tăng cườ ng hoạt động để đáp ứng nhu cầu vật chất và năng lượ ng.




175

Ngườ i ta thấy lúc lao động nhu cầu oxy tăng gấ p 8 - 10 lần so vớ i lúc nghỉ. Cơ thể

đáp ứng bằng cách tăng tần số co bóp của tim. Ngoài ra tuần hoàn của mao mạch

cũng thay đổi theo nhu cầu của cơ thể. Trong cơ vân bình thườ ng có một mạng mao

mạch dày đặc, các nghiên cứu chi tiết cho biết 1mm3 cơ chứa đến 3000 mao mạch.

Kích thướ c của mao mạch r ất bé (chiều dài từ 0,2 - 0,4mm và đườ ng kính khoảng0,007mm). Tốc độ máu ở mao mạch cũng r ất chậm 5mm/s. ở cơ vân hoạt động bình

thườ ng chỉ có một lượ ng nhỏ mao mạch hoạt động tuần hoàn tức là có máu vận

chuyển qua. Số lượ ng mao mạch hoạt động lúc này chỉ khoảng 200 - 300 mao mạch

trong 1mm3 tổ chức tức dướ i 10%. Tùy theo nhu cầu năng lượ ng và oxy của cơ thể,

lúc cơ hoạt động mạch hơ n (lao động) số lượ ng các mao mạch tham gia vận chuyển

máu sẽ tăng lên. Cơ chế này thực hiện đượ c là nhờ hoạt động cơ tr ơ n nằm ngay

tr ướ c mao mạch đó. Thành mao mạch cũng giãn ra hay co vào dướ i ảnh hưở ng của

áp suất dòng máu và tác dụng của nội tiết tố.

Tuy nhiên sự co rút cơ quá mức có thể gây tr ở ngại cho sự vận chuyển máu ở

tại cơ đó. Tăng quá trình chuyển hóa khi tăng hoạt động của cơ cũng tạo nên nhiều

sản phẩm mớ i như acid adrenalic, histamin, acetylcholin...Các sản phẩm mớ i này

ảnh hưở ng đến tính co giãn của thành mao mạch và do đó ảnh hưở ng đến sự lưu

thông máu.

14.1.4.2. Ả nh h ưở ng c ủa tr ọng tr ườ ng

Ở tư thế đứng, máu từ động mạch dễ dàng chảy xuống các phủ tạng ở bụng và

các chi dướ i nhờ tác dụng phụ của tr ọng lực. Tuy vậy ở ngườ i khỏe mạnh điều đó

không làm thay đổi áp suất máu nhiều ở chi dướ i. Nếu từ tư thế nằm chuyển sang tư

thế đứng, nhị p tim bao giờ cũng tăng lên đôi chút để đảm bảo khối lượ ng máu đượ c

tim đẩy ra trong một đơ n vị thờ i gian là không thay đổi. ở tư thế đứng lượ ng máu ra

trong một lần co bóp ít hơ n tư thế nằm. Cơ chế quá trình này đượ c giải thích theo

định luật Starling là sức đẩy của quả tim tùy thuộc vào độ giãn dài của sợ i cơ tim. Độ

giãn đó lại tùy thuộc vào lượ ng máu chảy từ t ĩ nh mạch vào tim ở thờ i k ỳ tâm tr ươ ng.Lượ ng máu từ các t ĩ nh mạch phía dướ i tim đổ về tim đã bị giảm bớ t phần nào vì tác

dụng của tr ọng lực. Do đó áp suất máu do tim co bóp sẽ giảm đi. Độ giảm áp suất đó

cân bằng vớ i tác dụng của tr ọng tr ườ ng mà dòng máu động mạch chảy từ tim xuống

chi dướ i thu nhận đượ c. Cần nhắc lại r ằng trong t ĩ nh mạch của phần dướ i cơ thể, máu

chuyển động ngượ c chiều đượ c vớ i tr ọng lực là do ở đấy vẫn còn tác dụng của công




176

tim co bóp và thành mạch đàn hồi. áp suất máu giảm dần và thấ p nhất ở t ĩ nh mạch

chủ, nơ i máu đổ về tim. Ngoài ra các van trong lòng mạch, áp suất âm của lồng ngực

và các cơ chế điều khiển co thành mạch... cũng đã làm cho máu chỉ chuyển động theo

một chiều nhất định trong t ĩ nh mạch. Đây là cơ chế r ất phức tạ p đã hình thành trong

điều kiện sống bình thườ ng trên cơ sở những phản xạ có điều kiện. Chính vì vậy khicon ngườ i ở trong những điều kiện về tr ườ ng tr ọng lực bị thay đổi trong vũ tr ụ, r ối

loạn hoạt động của hệ tuần hoàn r ất sớ m xuất hiện.

14.1.4.3. Ả nh h ưở ng c ủa nhi ệt độ vàmôi tr ườ ng

Nhiệt độ xung quanh tăng lên gây ảnh hưở ng tr ực tiế p đến thân nhiệt. Một

trong những cơ chế tự điều chỉnh thân nhiệt của cơ thể là tăng lưu lượ ng máu tớ i bề

mặt da do các mao mạch ở da đượ c giãn r ộng ra. Bản thân sự tăng nhiệt độ môi

tr ườ ng cũng làm giãn các mao mạch ở da. Thực nghiệm trên thỏ ta thấy khi nhiệt độ xung quanh lên tớ i 450C lưu lượ ng máu tối đa tăng lên đến 6 - 7 lần so vớ i lúc ở

nhiệt độ 200C. Để giữ vững áp suất trong máu, cơ thể tự điều chỉnh bằng cách co

mạch ở trong các phủ tạng. Một số phủ tạng chứa một khối lượ ng máu r ất lớ n như

gan, lách, phổi. Về phươ ng diện tuần hoàn các phủ tạng đó đóng một vai trò như

những hồ chứa để điều chỉnh lưu lượ ng máu trong toàn thân thích hợ p vớ i nhu cầu

cơ thể. Do những tình tr ạng bệnh lý nào đó, cơ chế điều chỉnh đó r ối loạn nên sự

tăng nhiệt độ môi tr ườ ng đột ngột có thể gây nên hạ huyết áp tạm thờ i. Cũng theo

một cơ chế tươ ng tự, khi cơ thể tăng cườ ng hoạt động, nhu cầu máu tối đa tăng lên

(cơ quan tiêu hóa sau khi ăn, não khi lao động trí óc) sẽ có ảnh hưở ng đến lưu lượ ng

máu ở vùng khác nhau trong cơ thể hoặc hoạt động của chính bản thân tim, mạch.

Hoạt động của hệ tuần hoàn liên quan chặt chẽ vớ i các hoạt động chức năng

khác trong cơ thể nhất là chức năng hô hấ p. Đánh giá đặc điểm chức năng tuần hoàn

là công việc quan tr ọng của các nhà sinh học và y học. Dựa vào các đặc điểm hoạt

động của nó, ngày nay có r ất nhiều biện pháp theo dõi hoạt động của hệ tuần hoàn.

Ngườ i ta có thể đánh giá hoạt động của tim thông qua các dấu hiệu về hiệu suất co

bóp của tim như đo huyết áp và vận tốc máu. Xác định lượ ng máu do tim đẩy ra qua

một lần co bóp hay trong một đơ n vị thờ i gian... Đánh giá hoạt động của cơ tim, van

tim và của thần kinh tự động bằng cách ghi điện tim có một giá tr ị r ất lớ n. Cũng có

thể theo dõi hoạt động của thành mạch tr ướ c các tác nhân kích thích làm co hoặc




177

làm giãn mạch. Một đối tượ ng quan tr ọng của hệ tuần hoàn là khối lượ ng toàn bộ

thể dịch trong cơ thể cũng như thể tích và thành phần của máu, của huyết tươ ng...

Thể tích và cấu tạo của máu ảnh hưở ng rõ r ệt đến hoạt động của tim, mạch và toàn

bộ hệ tuần hoàn.

14.2. LÝ SINH HÔ HẤP

14.2.1. Hoạt động hô hấp

Hoạt động hô hấ p thực hiện ở cơ quan hô hấ p; tuần hoàn máu, mô và tế bào

trong cơ thể.

Cơ quan hô hấ p gồm: mũi, hầu, phế khí quản và phổi, đườ ng hô hấ p thông từ

mũi đến tận các phế nang.

Phổi là tổ chức xố p tiế p sát vớ i lồng ngực qua các màng phổi, nhờ đó có thể

co giãn theo lồng ngực. Thành phần cấu tạo cơ bản của phổi là phế nang. Phế nanglà những túi nhỏ, r ỗng, có khả năng chứa đầy không khí và đượ c cấu tạo bở i lớ p tế

bào mỏng. Vì vậy khối khí trong phế nang dễ dàng tiế p xúc vớ i lớ p mao mạch ở

xung quanh.

Hoạt động thở bao gồm động tác hít vào và thở ra một cách điều hòa.

Hoạt động hô hấ p đượ c điều khiển bở i trung tâm hô hấ p của hệ thần kinh trung

ươ ng, cơ chế điều chỉnh r ất phức tạ p. Tùy theo nhu cầu của cơ thể và các nguyên nhân

khác nhau, nhị p độ thở nồng độ sâu và số lượ ng phế nang hoạt động đượ c điều chỉnhqua những xung động thần kinh xuất phát từ trung tâm hô hấ p.

14.2.1.1. C ơ ch ế hít vào

Trong lồng ngực, phổi ở tr ạng thái giãn căng do tổ chức có tính đàn hồi.

Trong điều kiện cân bằng áp suất ở phế nang (Pn) cân nằng vớ i tổng áp suất khoang

màng phổi (PK ) và áp suất gây ra do tính đàn hồi của (PP)

Pn = PK + P p → PK = Pn - P p (14.19)

Tức là áp suất khoang nhỏ hơ n áp suất phế nang một giá tr ị bằng áp suất

của phổi.

Áp suất khi quyển tác dụng lên lồng ngực (Pat) cân bằng vớ i tổng áp suất

không (PK ) và áp suất gây ra bở i tính đàn hồi của lồng ngực (Pl )

Pat = PK + Pl → PK = Pat - Pl (14.20)




178

Tức là áp suất khoang (PK) nhỏ hơ n áp suất khí quyển một giá tr ị bằng (Pl ) áp

suất lồng ngực (Pl ). Do đó áp suất khoang thườ ng đượ c coi là giá tr ị âm nếu coi áp

suất khí quyển bằng 0. áp suất âm ở khoang làm cho lồng ngực ở xu hướ ng co lại

ngh ĩ a là có xu hướ ng ngượ c vớ i sức căng của phổi.

Động tác hít vào thực hiện đượ c nhờ tăng thể tích lồng ngực bằng cách nâng

các xươ ng sườ n lên và hạ cơ hoành xuống. Cơ hoành r ất quan tr ọng cho hô hấ p vì

đảm bảo cho 2/3 việc thông khí ở phổi.

Thể tích lồng ngực tăng lên tr ướ c hết làm giảm áp suất khoang màng phổi,

nhờ đó phổi có thể giãn ra và do vậy (theo đinh lý Bô - Marit) áp suất trong các phế

nang giảm xuống. Sự xuất hiện liệu áp suất giữa khí quyển và phế nang làm cho

không khí di chuyển thành dòng từ màng tr ở vào phổi.

Lưu lượ ng khí đượ c tính theo công thức: V = R P Δ (14.21)

V- là lưu lượ ng khí đượ c tính bằng lít/giây

Δ P - Là hiệu áp suất giữa khí quyển và phế nang

R- là sức cản động học của chất khí gây bở i ma sát giữa các dòng khí vớ i

thành đườ ng hô hấ p và lực nội ma sát bên trong lòng chất khí.

Sức cản động học của chất khí tăng theo chiều tăng của lưu lượ ng khí khi

chuyển động từ dòng lớ p sang dòng xoáy.

Sự tạo thành dòng xoáy khi trên đườ ng đi chuyển của dòng khí gặ p các

chướ ng ngại vật: như dị dạng, khối u nhỏ trên thành ống, các dịch nhày cản tr ở sự

chuyển động.

Khi bị hen suyễn sức cản này có thể tăng lên 7-8 lần so vớ i ngườ i bình thườ ng.

14.2.1.2. C ơ ch ế th ở ra

Không khí từ phổi đượ c đẩy ra ngoài do thể tích lồng ngực bị giảm xuống.

Điều đó làm tăng áp lực khoang màng phổi các phế nang co lại, làm cho áp suất

không khí trong phế nang tăng lên cao hơ n áp suất khí quyển. Do vậy dòng không

khí từ phổi ra ngoài.

Cơ chế làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống khi thở ra như sau:

Khi tr ươ ng lực cơ hít vào giảm đi do tác dụng của các lực đàn hồi của lồng

ngực, của các cơ quan trong lồng ngực bắt đầu giảm xuống. Đó là một quá trình tự




179

nhiên không đòi hỏi phải gắng sức. Ngoài ra còn có một số cơ (cơ liên sườ n trong,

cơ bụng…) Khi co làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống. Cơ hoành nâng lên cũng

làm cho thể tích lồng ngực hẹ p lại rõ r ệt. Ngoài ra động tác thở ra còn có vai trò của

lực đàn hồi do phủ tạng trong bụng bị cơ hoành dồn ép xuống tối đa khi hít vào.

Khi lực đàn hồi của phổi cân bằng vớ i áp suất khoang màng phổi thì động tác thở

ra k ết thúc. Vì vậy trong phổi còn một lượ ng không khí chưa đượ c đẩy ra ngoài.

Nhìn chung tác động của các cơ hô hấ p lên phổi thực hiện thông qua gián

tiế p sự thay đổi của áp suất khoang, điều đó ảnh hưở ng tớ i áp suất trong các phế

nang. Nếu lồng ngực bị thủng, hoặc bị tràn khí màng phổi sẽ bị xẹ p lại, quá trình hô

hấ p không xảy ra bình thườ ng nữa dẫn đến tình tr ạng suy hô hấ p.

14.2.2. Sự vận chuyển khí trong cơ thể

14.2.2.1. S ự v ận chuy ể n c ủa khítrong hô h ấ p tuân theo các đị nh lu ật v ật lý c ơ

b ản (ch ủ y ế u đị nh lu ật khu ế ch tán)

Theo định luật Henry: Lượ ng khí thâm nhậ p (khuếch tán) vào chất lỏng tỷ lệ vớ i

áp suất riêng phần của chất khí đó trên bề mặt chất lỏng. Chúng ta biết hệ số khuyếch

tán của khí phụ thuộc vào bản chất khí thành phần trong hỗn hợ p khí.

Định luật Đanton phát biểu:

Trong tr ườ ng hợ p khí lý tưở ng, tổng các áp suất riêng phần của các chất khí

thành phần bằng áp suất của cả hỗn hợ p k hí.

P = ∑=

n

ii

Pi (14.22)

P là áp suất của hỗn hợ p khí

- Máu chứa nhiều thành phần vì vậy việc xâm nhậ p khí vào máu không chỉ

phụ thuộc vào thành phần khí mà còn phụ thuộc vào đặc điểm của máu.

Cecenov khi nghiên cứu sự thẩm thấu của CO2 vào dung dịch thấy lượ ng khí

hòa tan vào dung dịch tỉ lệ nghịch vớ i nồng độ muối và các chất hòa tan trong đó

(protein, lipit…).

Tác giả tìm đượ c công thức biểu thị mối liên hệ giữa nồng độ C của chất điện

ly trong dung dịch và lượ ng khí hòa tan S là:

lg C K S

So.= (14.23)




180

Trong đó:

S0 là lượ ng khí hòa tan vào nướ c

S là lượ ng khí hòa tan vào dung dịch có chất điện ly ở nông độ C, K hằng số.

14.2.2.2. S ự ph ụ thu ộc vàáp su ấ t r iêng ph ần c ủa các khíthành ph ần

Ngườ i ta đo đạc thấy áp suất trung bình trong phế nang lúc hít vào tươ ng

đươ ng vớ i áp suất khí quyển là 1 átmôtphe. Tuy nhiên ở nhiệt độ 370 C của cơ thể

vớ i điều kiện bão hòa hơ i nướ c, hơ i nướ c trong phế nang luôn luôn có một áp suất

riêng phần khoảng 47 Tor. Vì vậy áp suất tổng cộng của N2, O2 ,CO2 trong phế

nang còn là: 760 - 47 = 714 (Tor)

Ta biết trong không khí cũng như trong phế nang các thành phần khí chiếm

tỷ lệ: N2: 80,7%, O2:14,8% và CO2 là 5,5%

Nên áp suất riêng phần trong phế nang là:2 N P = 731 x 80,7% = 575 tor

2O P = 731 x 14,8% = 48 tor

2CO P = 731 x 5,5% = 39 tor

Nếu xét riêng về khuếch tán đơ n thuần thể tích khí đượ c tính theo công thức

V = P

Pn K . (14.24)

K- hệ số khuếch tán của các khí CO2, O2 và N2 vào huyết tươ ng có giá tr ị khác nhau. Chẳng hạn vớ i máu

2CO K = 0,07;2O K = 0,023;

2 N K = 0,014

Ta có thể tính đượ c thể tích mà chất khí xâm nhậ p vào máu theo quy tắc

khuếch tán đơ n thuần như sau:

2COV = )(0241,0760

39.47,0ml =

2OV = =×

760

99023,0 0,0030 (ml)

2 N V = =×

760

575013,0 0,0098 (ml)

Do hiện tượ ng khuếch tán và các hiện tượ ng sinh học khác. Các chất khí N2,

O2, CO2 thâm nhậ p vào các nơ i trong cơ thể có giá tr ị khác nhau. K ết quả đo đạc áp

suất riêng phần của chất khí trong cơ thể đượ c trình bày theo bảng sau:




181

B ảng 1: Áp su ấ t r iêng ph ần c ủa CO 2 , O 2 vàN 2 ( Đơ n v ị tính làTor)

Chất khí Phế nangMáu ở động

mạch chủ Máu ở phổi

Máu ở tổ

chứ c

O2 99,8 99 38 20 - 40

CO2 39 39,6 45- 48 53 - 76

N2 571 550 550

Theo định luật Henry chúng ta hiểu đượ c chiều vận chuyển của O2 và CO2

trong cơ thể. Do chênh lệch áp suất O2 đượ c khuếch tán từ phế nang (phân áp là

99,8 tor) đến máu ở các mao mạch của t ĩ nh mạch là 38 tor. Máu đã mang O2 đi đến

các tế bào mô ở khắ p cơ thể.

14.2.3. Vai trò của máu đối vớ i sự trao đổi khí

Trong quá trình trao đổi khí ngoài quy luật vật lý (do chênh lệch áp suất) còn

do ảnh hưở ng của các yếu tố hóa lý khác trong cơ thể sinh học và ngườ i ta thấy vai

trò của máu đóng vai trò quan tr ọng.

14.2.3.1. Vai trò c ủa máu đượ c v ận chuy ể n O 2

Hồng cầu là yếu tố chính trong vận chuyển O2. Hồng cầu gồm các phân tử

Hemoglobin (Hb). Mỗi phân tử Hemoglobin có tr ọng lượ ng 67.000 chứa 4 gốc Hem.

Trong cấu trúc gốc của Hem có một nguyên tử Fe ở giữa. Mỗi nguyên tử Fe này có

khả năng k ết hợ p vớ i mặt phân tử O2 ngh ĩ a là mỗi phân tử Hb có khả năng k ết hợ p

vớ i phân tử O2 để tạo thành phức hợ p Oxyhemoglobin (HbO2) có thể viết:

Hb + O2 = HbO2 (14.25)

Phản ứng này là thuận nghịch và trong mao mạch của mô, vớ i điều kiện áp

suất từng phần của oxy thấ p, phức hợ p HbO2 bị phân giải lúc áp suất O2 cao phản

ứng xảy ra theo chiều thuận.

Sự liên k ết và phân ly của ô xy vớ i Hemoglobin là phụ thuộc vào nồng độ

oxy và nồng độ CO2. Khi CO2 phản ứng vớ i nướ c sẽ tạo thành axit cacbonic H2CO2.

Vì vậy khi nồng độ CO2 tăng cao thì độ axit của máu sẽ tăng thêm, khả năng của

Hemoglobin liên k ết vớ i oxy lúc đó sẽ giảm đi.

Trong máu động mạch của ngườ i áp suất oxy bằng 100mmHg và trong

100ml máu có khoảng 19ml oxy.




182

Trong máu t ĩ nh mạch áp suất oxy bằng 39 tor, trong 100ml máu chỉ chứa 12

ml O2 và 7ml O2 đã cung cấ p cho các mô. Vì r ằng cứ trong 1 phút có khoảng 5 lít

máu chảy qua mô nên cơ thể trong thờ i gian đó đã thu nhận đượ c 350 ml O2 ở tr ạng

thái t ĩ nh, các tế bào của cơ thể cần phải nhận 250 ml O2 trong 1 phút còn khi lao

động chân tay thì yêu cầu ô xy tăng lên 10- 15 lần.14.2.3.2. Vai trò v ận chuy ể n CO 2 c ủa máu

Nếu theo cơ chế khuếch tán đơ n thuần thì thể tích khí CO2 chỉ khoảng 2,4

ml/ 100ml máu thực tế máu ở t ĩ nh mạch chứa tớ i 52% CO2 (52 ml/100ml máu).

Qua nghiên cứu cụ thể cho thấy có khoảng 2- 10% lượ ng CO2 đã k ết hợ p vớ i Hemoglobin

để tr ở thành Cacbohemoglobin (HbCO2), còn hầu hết ở H2CO3 theo phản ứng:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 (14.26)

Đây là phản ứng thuận nghịch, chiều của phản ứng tùy thuộc nhiều yếu tố

như áp suất riêng phần CO2 tại chỗ, tác dụng của men, độ pH….

Tại mô, phản ứng trên xảy ra theo chiều từ trái sang phải tạo nên H2CO3 k ết

hợ p vớ i muối cácbonat, phosphat trong máu thành những hợ p chất dễ phân ly, ở

phổi Hb có tác dụng như một acid yếu sẽ phân ly H2CO3 thành CO2 và H2O để đẩy

ra ngoài. Các quá trình này tùy thuộc vào phân áp các khí ở tại chỗ.

14.2.4. Nhữ ng yếu tố ảnh hưở ng tớ i quá trình trao đổi khí

14.2.4.1. Y ế u t ố bên tr ong

Mọi hoạt động thở , lưu thông khí, hoạt động của các phế nang đều ảnh

hưở ng đến hô hấ p.

Ảnh hưở ng của tuần hoàn như sự thay đổi về khối lượ ng và chất lượ ng máu

(k ể cả hồng cầu và huyết tươ ng) đều ảnh hưở ng tr ực tiế p đến sự vận chuyển O2 và

CO2. Hoạt động chuyển hóa ở tế bào, mô làm cho tốc độ sử dụng O2 và sản sinh

CO2 khác nhau.

Tất cả các yếu tố đó đến ảnh hưở ng tớ i hô hấ p. Mọi hoạt động chức năng của

con ngườ i đều liên quan chặt chẽ đến hô hấ p.

14.2.4.2. Các y ế u t ố bên ngoài- Ả nh hưở ng của tr ọng tr ườ ng

Khi hô hấ p, lực cản của khí liên quan tớ i tr ườ ng hấ p dẫn của trái đất và sẽ

thay đổi theo giai đoạn của chu k ỳ hô hấ p và vị trí của cơ thể trong không gian.

Ở trên mặt đất, khi hít vào tr ọng lượ ng lồng ngực sẽ gây ra lực cản, các cơ hít

vào thở ra, chính nhân tố này làm giảm thể tích lồng ngực. Tr ọng lực của cơ quan trong




183

ổ bụng (ở tư thế đứng) sẽ tác động lên cơ hoành và có xu hướ ng kéo nó xuống dướ i

điều đó tạo điều kiện cho động tác hít vào, cản tr ở động tác thở ra.

- Ả nh hưở ng của t ỷ l ệ khí thành phần

Như ta đã biết oxy r ất cần cho cơ thể, cơ thể bình thườ ng thích nghi vớ i áp

suất khoảng 100 tor, CO2 có tác dụng kích thích hô hấ p. Do vậy cơ thể đòi hỏikhông khí có hàm lượ ng O2 và CO2 bình thườ ng.

Nếu hàm lượ ng oxy tăng lên tớ i 50% thì cơ thể có thể còn chịu đượ c nhưng

nếu chỉ thở đơ n thuần O2 cơ thể sẽ r ối loạn nghiêm tr ọng và có thể tử vong.

- Ả nh hưở ng của áp suấ t khí quyể n

Khi nên cao thì áp suất khí quyển giảm và các phân áp khí thành phần cũng

giảm điều đó dẫn đến tình tr ạng thiếu oxy trong cơ thể. Để đáp ứng hệ hoạt động hô

hấ p của cơ thể tăng lên hoặc cơ thể bị r ối loạn tùy theo mức độ.

Khi lặn xuống sâu áp suất của nướ c tác động lên lồng ngực tăng dần. Do đó

ảnh hưở ng đến khả năng hô hấ p của cơ thể. Ngườ i ta tính toán r ằng chiều sâu tối đa

của ngườ i có thể hoạt động bình thườ ng khi ở độ sâu 35m, còn sâu 90m chỉ chịu

đượ c 1-2 giờ . Tuy vậy, nếu từ độ sâu đó đột ngột ngoi lên cao mà không có biện

pháp bảo vệ sẽ nguy hiểm đến tính mạng. Đó là hiện tượ ng tạo các bọt khí trong

lòng mạch máu nhất là mạch máu nhỏ ở tim, não. Cơ chế phát sinh các bọt khí trong

tai biến này như sau: ở dướ i nướ c sâu con ngườ i chịu một áp suất lớ n hơ n 1at. Các

khí khuếch tán vào máu tăng lên tỷ lệ vớ i áp suất cao đó. Ví dụ, ở áp suất bình

thườ ng trong 1ml máu có 0,0098ml khí Nitơ khi lặn xuống sâu 40m cơ thể chịu áp

suất là 5at và do đó hàm lượ ng Nitơ khuếch tán vào máu sẽ tăng gấ p 5 lần so vớ i

mức bình thườ ng. Nếu sau đó đột ngột ngoi lên mặt nướ c, lượ ng Nitơ trong máu sẽ

giảm dần tùy theo áp suất do độ sâu gây ra, phần khí còn lại sẽ nhanh chóng tr ở về

dạng khí, các khí đó chưa k ị p thấm ra ngoài để khuếch tán đi ra và sẽ tạo thành các

bọt khí trong lòng mạch. Vì vậy biện pháp quan tr ọng là phải giảm áp suất từ từ

bằng cách ngoi lên dần dần hoặc dùng các thiết bị để làm giảm dần áp suất khí xung

quanh cơ thể mặc dù đã lên bờ .Tóm lại sự trao đổi k hí trong cơ thể tuân theo các quy luật động học chất khí

và chịu tác dụng tr ực tiế p của nhiều quy luật sinh học phức tạ p. Chức năng hô hấ p

liên quan chặt chẽ vớ i các chức năng khác và chịu ảnh hưở ng tr ực tiế p của các điều

kiện ở môi tr ườ ng bên ngoài.




184

Chươ ng 15

Ứ NG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

15.1. Ứ NG DỤNG CỦA SÓNG ÂM

15.1.1. Nguồn phát âmCó nhiều phươ ng pháp tạo nên âm thanh, nhưng phổ biến hơ n cả là làm cho

một vật r ắn một màng căng hoặc một dây căng thẳng thực hiện dao động đàn hồi.

Tần số dao động âm tạo ra ở dây có thể tính theo công thức:

f =M

P

L2

1 (15.1)

Trong đó:

f là tần số âm

L là chiều dài của dây căng

M là khối lượ ng một đơ n vị của chiều dài dây

P là lực căng của dây

Ở động vật, cơ quan phát âm quan tr ọng nhất là thanh quản vớ i các dây âm

thanh. Tiếng nói đối vớ i con ngườ i đặc biệt quan tr ọng, nó thuộc về hệ thống tín

hiệu thứ hai, hình thành trong quá trình lao động sáng tạo và phát triển về cấu tạo

của cơ thể con ngườ i, nó là công cụ thể hiện và truyền bá tư duy. Tiếng nói là âm do

con ngườ i phát ra, tuy vậy con ngườ i còn hiểu biết quá ít về cơ chế phát âm củamình. Có các giả thuyết sau giải thích sự phát âm ở ngườ i:

- Thuyết cơ đàn hồi còn gọi là thuyết cơ học: hai dây âm thanh là bộ phận

phát âm chủ yếu, chúng có cấu tạo đặc biệt và có thể điều hoà đượ c độ căng. Hai

dây đó có xu hướ ng nằm song song và khép kín vào nhau. Khi phát âm, không khí

đượ c đẩy từ dướ i phổi lên vớ i một áp suất nhất định. Luồng khí đi qua khe hẹ p của

dây âm thanh làm dây rung lên. Thần kinh trung ươ ng chỉ huy mức độ căng của dây

và do đó chỉ huy tần số dao động của dây. Tần số sóng âm phát ra tính theo công

thức (15.1). Khá nhiều hiện tượ ng sinh lý liên quan đến sự phát âm không giải thích

đượ c bằng thuyết này.

- Giả thuyết luồng thần kinh của Housson: Dây âm thanh có khả năng dao

động vớ i các tần số khác nhau. Tuy vậy tần số dao động đó không phải tuỳ thuộc

vào độ căng của dây và áp lực luồng khí mà do chính luồng thần kinh đến dây âm




185

thanh quyết định. Nói một cách khác dây âm thanh đáp ứng theo nhị p kích thích của

thần kinh trung ươ ng, nhị p kích thích đó quyết định tần số dao động âm. Ngườ i ta

thấy trung tâm phát ra các xung động thần kinh tạo âm thanh có nhị p điệu (bài ca) là

vùng đồi thị ở vỏ não, tạo tiếng nói ở vùng trung não.

Dựa vào lý thuyết này, ngườ i ta có thể đánh giá xế p loại giọng ca của một

ngườ i theo khả năng đáp ứng kích thích của dây thấn kinh quặt ngượ c của dây X, là

dây thần kinh liên quan đến cơ quan phát âm. Khả năng đáp ứng kích thích thườ ng

đượ c đánh giá bằng thờ i tr ị (chronaxi). Tần số tối đa của một ngườ i có thể phát ra

đượ c tính theo công thức :

f M =c.k

1000 (15.2)

Trong đó: k là hệ số tỷ lệ c là thờ i tr ị của dây thần kinh quặt ngượ c

f M là tần số tối đa của âm có thể phát ra

- Ngày nay ngườ i ta thấy cấu tạo của dây âm thanh r ất đặc biệt. Niêm mạc

của nó r ất loãng, lỏng lẻo và không dính chặt vào tổ chức dướ i đó. Vì vậy một dao

động có thể xuất hiện ở từng bộ phận dướ i, trên và ngay ở dây âm thanh. Những tìm

tòi này bổ sung cho hai quan điểm cơ học và thấn kinh ở trên về cơ chế phát âm.

Ta cũng cần nhấn mạnh r ằng các xoang cộng hưở ng đóng vai trò khá quan

tr ọng, chúng quyết định âm sắc của tiếng nói nguờ i. Khi phát nguyên âm như a,

o ,u... thì xoang cộng hưở ng chia ra hai phần tạo thành hai tần số cộng hưở ng khác

nhau. Khi phát phụ âm thì âm thanh sinh ra còn nhờ sự ma sát qua k ẽ r ăng, các khe

giữa lưỡ i và vòm hầu. Nhiều khi các âm phát ra không phải do dây âm thanh rung

động mà các hốc ở xươ ng mặt đóng vai trò quan tr ọng ta gọi là xoang mũi (khi

ngâm nga, nói thầm).

15.1.2. Cơ chế của quá trình nghe

Khi sóng âm truyền đến tai ngoài, sự thay đổi áp suất do dao động làm cho

màng nh ĩ rung động theo. Rung động của màng nh ĩ làm màng căng trên cửa sổ bầu

dục của rung động theo thông qua hệ thống xươ ng con (xươ ng:búa, đe, bàn đạ p) ở

tai giữa. Dao động của các phần tử ở cửa sổ bầu dục làm chuyển động dịch chứa

trong ốc tai.




186

Trong quá trình lan truyền sóng âm, hệ thống xươ ng con đóng một vai trò r ất

quan tr ọng. Nó vừa có tác dụng khuếch đại áp lực âm thanh vừa bảo vệ tai trong

tr ướ c những âm có cườ ng độ lớ n.

Để khuếch đại đượ c áp lực âm thanh, hệ xươ ng con hoạt động như một đòn

bẩy (hình 15.1). Hệ số giữa hai cánh tay đòn ở hệ đòn bẩy này là2

1

r

r = 1,3. Ta thấy,

nếu tại cửa sổ bầu dục có lực tác dụng F2 và lực F1 tác dụng ở màng nh ĩ , thì F 2=

2

1

r

r .F 1

Ngoài ra diện tích S2 của cửa sổ bầu dục nhỏ hơ n 17 lần so vớ i diện tích S1

của màng nh ĩ . Vì vậy áp suất tác dụng lên cửa sổ bầu dục sẽ lớ n hơ n 17 lần áp suấtkhông khí (do dao động âm) tác dụng lên màng nh ĩ . Tổng hợ p lại ta có áp suất lên

dịch ở phía sau cửa sổ bầu dục sẽ lớ n hơ n áp suất lên màng nh ĩ từ phía tai ngoài: 17

x 1,3 = 22 lần. Ngườ i ta cho r ằng dù bị hao hụt năng lượ ng do ma sát sự khuếch đại

đó cũng còn đạt đượ c r ất lớ n, gần 20 lần.

Âm tr ở của màng nh ĩ phụ thuộc vào tần số sóng âm tác dụng nhưng nhìn

chung có giá tr ị gần bằng âm tr ở của không khí là 4,3.102 kg/s. Âm tr ở của cửa sổ

bầu dục bằng âm tr ở của ngoại dịch perilympho giáp nó, tức là gần như âm tr ở củanướ c, có giá tr ị là 1,5.106 kg/m2s.

Như thế ngh ĩ a là nếu như không có hệ xươ ng con mà sóng âm tr ực tiế p từ tai

ngoài tác dụng vào cửa sổ bầu dục thì 99,9% năng lượ ng sóng âm bị phản xạ mà chỉ

còn khoảng 0,1% đượ c lan truyền vào đến ngoại dịch perilympho. Hệ thống xươ ng

con như vậy đóng một vai trò quan tr ọng trong việc dẫn truyền các sóng âm. Nó

loại tr ừ hao hụt do sự phản xạ sóng âm ở mặt ngăn cách giữa 2 môi tr ườ ng có âm

tr ở (sóng tr ở ) khác nhauTác dụng bảo vệ tai trong của hệ xươ ng con khi gặ p những âm có cườ ng độ

lớ n là nhờ hệ thống dây chằng giữ hệ xươ ng con (điểm tựa của đòn bẩy) co giãn

giảm chấn động.




187

Hình 15.1 C ấ u trúc tai ng ườ i

Quá trình tiế p nhận và cảm thụ âm thanh ở tai trong xảy ra phức tạ p hơ n

nhiều.. Những nghiên cứu của Helmholtz và đặc biệt công trình nghiên cứu cơ chế

cảm thụ âm thanh của Bekesy gần đây đã làm sáng tỏ hơ n cơ chế lý sinh thính giác.

(Nhờ công trình nghiên cứu công phu này, George von Bekesy đã nhận đượ c giải

thưở ng Nobel vào năm 1961)

Hình 15.2 S ơ đồ thiế t diện ngang ố c tai

1. Kênh tiề n đ ình 2. Kênh màng nhĩ 3. Kênh ố c tai

4. Màng tiề n đ ình 5. Màng đ áy 6. Thể Corti

7. Màng phủ 8. Thần kinh thính giác

búa đ e bàn đạ p

đ iể m t ự a

tay đ òn 2 cử a sổ bầu d ục

tay đ òn 1

màng nhĩ

ố c tai

cử a sổ tròn




188

Cấu tạo chính của tai trong là ốc tai. ốc tai có chiều dài khoảng 35 mm cuộn

theo hình ốc khoảng 2,75 vòng (hình 15.1). Bên trong ốc tai dọc theo chiều dài đó

có 3 kênh chứa dịch ( English –"canal" hoặc thuật ngữ giải phẫu khác là "scala") và

đượ c ngăn cách nhau bằng những màng (hình 15.2). Kênh tiền đình bắt đầu từ cửa

sổ bầu dục và thông vớ i kênh màng nh ĩ qua một lỗ nhỏ ở đỉnh của ốc tai, kênh

màng nh ĩ từ đó dẫn tiế p đến cửa sổ tròn. Dịch perilympho chứa trong hai kênh này

còn gọi là ngoại dịch. Kênh ốc tai không thông vớ i kênh nào, dịch endolympho

chứa trong kênh ốc tai còn gọi là nội dịch. Màng đáy ngăn cách giữa kênh màng nh ĩ

và kênh ốc tai. Màng tr ướ c ngăn cách kênh ốc tai và kênh tiền đình. Màng đáy đượ c

cấu tạo bở i một hệ vòng xoắn gọi là thể Corti bao gồm các cơ quan cảm thụ của tế

bào thần kinh thính giác.

Theo lý thuyết của Bekesy, dao động của cửa sổ bầu dục làm cho ngoại dịch

perilympho dướ i đó chuyển động xoáy do các kênh đi theo hình ốc . Chính những

chuyển động xoáy này làm cho áp suất dịch perilympho lên màng tiền đình dọc theo

chiều dài kênh tiền đình khác nhau. Áp suất này truyền tớ i dịch endolympho trong

kênh ốc tai, truyền tiế p tớ i màng đáy và làm màng đáy "gợ n sóng". Màng đáy chịu

những tác dụng áp suất khác nhau theo chiều dài của nó và bằng một cơ chế phức

tạ p, thể Corti phân tích đượ c tần số âm thanh (hình 15.3)

Mỗi sóng âm vớ i một tần số nhất định tác dụng vào một vị trí xác định trên

màng đáy và kích thích những receptor nhất định ở thể Corti. Âm có tần số càng cao

thì vị trí kích thích càng gần cửa sổ bầu dục, ở đó màng r ất căng và hẹ p. Âm càng

có tần số thấ p thì kích thích các vị trí càng gần vớ i đỉnh ốc tai.




189

Hình 15.3 S ơ đồ quá trình cảm thụ âm thanh ở tai

( ố c tai đượ c phóng đại và đượ c hình dung ở d ạng kéo duỗ i ra)

Bằng cơ chế đó, tai phân tích tần số sóng âm thành các xung kích thích. Các

xung kích thích đượ c mã hoá và truyền về một vị trí nhất định ở vỏ não bở i những

tơ thần kinh xác định. Vớ i những âm phức hợ p thì tạo ra sự kích thích ở nhiều điểm

hơ n và do vậy gây ra cảm giác khác nhau về âm sắc.

Cho đến nay ngườ i ta chưa hiểu rõ hết bản chất của quá trình mã hoá các

sóng xung kích thích của âm để dẫn truyền vào các tế bào thần kinh thính giác. Các

nghiên cứu về điện sinh học ở cơ quan thính giác xác nhận r ằng cơ chế của quá

trình mã hoá thông tin ở đây cũng là làm xuất hiện điện thế hoạt động, ở đây ngườ i

ta gọi là các điện thế âm thanh. Điện thế âm thanh quyết định cả tần số và cườ ng độ

âm. Ngày nay bằng các vi điện cực ngườ i ta đã ghi đo đượ c giá tr ị của các điện thế

âm thanh đó. Điện thế âm thanh là k ết quả của tất cả các quá trình xảy ra ở ốc tai

khi tiế p nhận âm. Một điều đáng chú ý là hiệu điện thế giữa endolympho và

perilympho có giá tr ị khoảng 80mV.

Thần kinh ố c tai

Kênh tiề n đ ình Kênh ố c tai Kênh màng nhĩ Màng phủ

Thể Corti Màng tiề n đ ình Màng đ áy

C ử a sổ bầu

Màng nhĩ C ử a sổ




190

15.1.3. Cơ sở vật lý của phươ ng pháp âm trong chẩn đoán

15.1.2.1. Ch ẩ n đ oán gõ

Khi gõ vào các vị trí tươ ng ứng của các tạng (tim, phổi, gan ...) trên lồng

ngực hay trên thành bụng, các tạng này sẽ dao động và phát ra âm. Dựa vào âm phát

ra chúng ta có thể xác định đượ c vị trí, kích thướ c của chúng, có thể xác định đượ c

chúng bình thườ ng hay có bệnh.

Ta có thể dùng ngón tay hay một dùi nhỏ gõ tr ực tiế p trên da bệnh nhân, ở

vùng tươ ng ứng vớ i các phủ tạng cần chẩn đoán. Phươ ng pháp này ít dùng vì những

chấn động gõ thựờ ng bị tắt dần sau khi qua lớ p da, mô cơ ... do đó chúng ta chỉ làm

cho các tạng đó dao động vớ i biên độ nhỏ, âm các tạng phát ra nhỏ quá khó nghe.

Chúng ta thườ ng gõ qua ngón tay hoặc qua thanh gỗ mỏng đặt sát vào nơ i

muốn gõ. Tuỳ theo bệnh nhân và yêu cầu cần chẩn đoán, chúng ta phải gõ vớ i mức

độ mạnh nhẹ khác nhau : gõ mạnh đối vớ i bệnh nhân quá béo, vớ i tr ẻ em phải gõ

nhẹ. Thườ ng chúng ta gõ vớ i mức độ trung bình vì gõ như thế cũng đủ làm cho các

tạng ở sâu dướ i da 5 cm dao động và dao dộng này có thể lan truyền trên một diện

tích 4 đến 6 cm2. Khi muốn tìm giớ i hạn của một tạng nào đó hay nghiên cứu một

phần của tạng đó, cấn phải gõ nhẹ.

Âm phát ra khi gõ cần phải phân tích một cách tỷ mỉ về cườ ng độ, độ cao,

âm sắc... như thế mớ i nhận đượ c các thay đổi nhỏ của âm, phân biệt đượ c các tr-

ườ ng hợ p bệnh lý và bình thườ ng. Thí dụ như âm phát ra khi gõ vào phổi của mộtngườ i bình thườ ng có tần số cao, âm sắc phong phú (có nhiều họa âm) cườ ng độ lớ n,

thờ i gian dư âm dài.

Âm phát ra khi gõ những tạng đặc hoặc phổi bị vôi hóa, màng phổi bị tràn

dịch,... có tần số thấ p (tiếng nghe đục), cườ ng độ nhỏ, thờ i gian dư âm ngắn. Còn

âm ở ổ bụng, dạ dày phát ra có tần số cao song âm sắc nghèo nàn (hầu như không

có họa âm).

15.1.2.2 . Ch ẩ n đ oán nghe

Đó là phươ ng pháp nghiên cứu những âm từ cơ thể phát ra như của tim, phổiđể định bệnh.

Các âm từ cơ thể phát ra thườ ng có tần số không vượ t quá 1000 Hz. Âm ở

phổi do không khí qua lại khí quản, cuống phổi và mô phổi sinh ra. Cườ ng độ của

âm này mạnh hay yếu là do hô hấ p nông hay sâu, độ cao của âm tỷ lệ nghịch vớ i tiết

diện khí quản, cuống phổi. Khi khí quản, cuống phổi bị hẹ p hay chứa các dịch nhầy




191

do một quá trình bị bệnh nào đấy thì âm phổi sẽ thay đổi; có thể dựa vào sự thay đổi

đó mà chẩn đoán bệnh.

Âm phát ở tim ra biến đổi do nhiều yếu tố: tình tr ạng các van tim, vận tốc

của máu, độ nhớ t của máu, miệng của các van (tức là các lỗ trong tim mà các van

đó đậy lại)… Bảng 15.1 cho biết liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lượ ng của âm phátra từ một tim bình thườ ng.

Bảng 15.1

Tần số Năng lượ ng

50 - 60 Hz

60 - 70 Hz

70 - 80 Hz

80 - 90 Hz

90 - 100 Hz

100 - 110 Hz

56%

27%

10%

4%

2%

1%

Để nghe các âm phát ra từ trong cơ thể, ngườ i ta dùng ống nghe (stétoscope).

ống nghe gồm 2 dây cao su mềm hình tr ụ có tác dụng truyền âm nối vớ i một hộ p

bằng sắt hình tr ụ bẹt, mặt có căng một màng mỏng đóng vai trò một hộ p cộng

hưở ng. Hộ p cộng hưở ng có khi là một loa hình phễu không có màng căng. Mặt của

hộ p cộng hưở ng đặt áp sát da (nơ i muốn nghe), dao động âm của cơ thể truyền tớ i

đượ c hộ p này khuếch đại, sau đó những dao động này sẽ qua các dây truyền âm để

tớ i tai.

Tần số dao động riêng của màng tỷ lệ thuận vớ i độ căng của màng. Các dao

động âm từ cơ thể tớ i màng sẽ làm màng dao động mạnh nhất (cộng hưở ng) nếu tần

số của chúng trùng vớ i tần số dao động riêng của màng.

Nếu dùng loa để nghe, thì chỗ da bệnh nhân bị loa ép vào sẽ căng ra và đóng

vai trò của một màng căng. Chúng ta có thể điều chỉnh sức ép của loa vào da để độ

căng của màng da đó có tần số dao động riêng trùng vớ i tần số của âm muốn nghiên

cứu, nhờ đó chúng ta có thể nghe âm này rõ hơ n âm khác. Thườ ng còn dùng cách

này khi âm muốn nghiên cứu bị các âm khác che lấ p.




192

15.1.2.3. Phép th ử Rinner

Mục đích phép thử này để xác định tổn thươ ng ở vùng nào của cơ quan thính

giác: ở tai ngoài, tai giữa tai trong hoặc não.

Phép thử này dựa vào nhận xét như sau: những dao động âm có thể truyền

qua xươ ng sọ tớ i những tận cùng của thần kinh thính giác … và cho chúng ta cảm

giác âm; do đó dù r ằng tai ngoài và tai giữa hỏng r ồi âm vẫn truyền qua xươ ng và

gây cảm giác đượ c.

Nếu ta đặt một âm thoa đang dao động gần tai bệnh nhân sau đó để bệnh

nhân cắn đuôi âm thoa đó (dao động của âm thoa lúc này cũng có biên độ giống lúc

tr ướ c). Nếu lúc đầu bệnh nhân còn nghe đượ c âm, lúc sau không nghe đượ c thì dấu

hiệu Rinner là dươ ng, nếu ngượ c lại ta có dấu hiệu Rinner âm.

Một chứng điếc có dấu hiệu Rinner dươ ng chứng tỏ một tổn thươ ng tai trong

hoặc não. Nếu dấu hiệu Rinner âm thì tổn thươ ng khu trú ở tai ngoài hay tai giữa.

15.2. Ứ NG DỤNG CỦA SIÊU ÂM

15.2.1. Nguồn phát siêu âm

Nguyên lý chung để tạo ra sóng âm là làm cho một vật r ắn, một màng căng

hay một dây căng dao động đàn hồi. Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn

hồi phải có tần số trên 20 000 Hz nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động

của tinh thể thạch anh, tinh thể Niken...

Có hai cách phát siêu âm: + Dựa vào hiệu ứng áp điện nghịch.

+ Dựa vào hiện tượ ng từ giảo.

15.2.1.1. Ngu ồn phát siêu âm d ự a vào hi ệu ứ ng áp đ i ện ngh ị ch

Một bản thạch anh đượ c cắt song song vớ i tr ục lục giác và vuông góc vớ i

quang tr ục tạo thành một bản thạch anh áp điện. Ngườ i ta mạ hai mặt của bản để tạo

thành một tụ điện hoặc k ẹ p nó vào giữa hai bản của một

tụ điện phẳng.

Khi nối hai bản điện cực vớ i nguồn điện một

chiều bản thạch anh bị biến dạng cong về một bên, khi

đổi chiều dòng điện thì bản thạch anh bị cong ngượ c lại.

Hình 15.4






194

Đặc biệt trong l ĩ nh vực y học, sóng siêu âm ngày càng đượ c ứng dụng r ộng

rãi trong chẩn đoán và điều tr ị.

15.2.2.1.Ứ ng d ụng c ủa siêu âm tr ong đ i ều tr ị

Khi tác dụng lên các tế bào và các tổ chức sống, siêu âm gây ra 3 hiệu ứng:

cơ học, nhiệt học và hoá học. Các hiệu ứng này làm thay đổi tính chất và chức năngsinh lý của các tổ chức trong cơ thể. Đó chính là cơ chế của các liệu pháp điều tr ị

trong k ỹ thuật siêu âm.

* Hiệu ứ ng cơ học

- Sóng siêu âm khi tác động vào một môi tr ườ ng vật chất sẽ gây ra tại chỗ

những biến đổi áp lực và dịch chuyển các phần vật chất xung quanh vị trí cân bằng

của chúng, làm nén giãn môi tr ườ ng. Ở vùng giãn liên k ết của các phần tử có thể bị

đứt gãy. Ngườ i ta gọi đó là hiện tượ ng tạo lỗ vi mô.- Đặc biệt là vớ i chùm siêu âm có cườ ng độ vừa và nhỏ (<20kW/m2) khi tác

động lên tổ chức sinh học siêu âm làm tăng tính thẩm thấu của màng tế bào và sự

dịch chuyển của bào tươ ng, làm các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động nhẹ, đó là

một cách xoa bóp tế vi, một tác dụng r ất quý trong điều tr ị viêm tế bào.

- Vớ i chùm siêu âm có cườ ng độ mạnh khi tác động vào tế bào có thể làm

rách màng tế bào, biến dạng nhân, do đó có thể phá huỷ tế bào, ứng dụng trong

chống đông máu, diệt trùng. Ngày nay ngườ i ta còn dùng siêu âm có cườ ng độ

mạnh để phá huỷ tổ chức trong sâu như sỏi thận, u tuyến, lấy cao r ăng, hay sử dụng

trong phẫu thuật thần kinh vớ i ưu điểm là làm giảm đau, không gây chảy máu tránh

đượ c nhiễm trùng và có độ chính xác cao.

- Vớ i những chất lỏng không tr ộn lẫn vào nhau đượ c như nướ c và dầu, nướ c

và thuỷ ngân, sóng siêu âm có thể làm đứt gãy liên k ết giữa các phân tử và làm cho

chúng hoà vào nhau đượ c. Dựa vào đó ngườ i ta chế tạo ra các loại nhũ tươ ng, các

khí dung vớ i những hạt có kích thướ c bé.

* Hiệu ứ ng nhiệt

Khi chùm siêu âm truyền qua một môi tr ườ ng vật chất, một phần năng lượ ng

của chùm siêu âm bị môi tr ườ ng vật chất hấ p thụ. Phần lớ n năng lượ ng mà môi

tr ườ ng vật chất hấ p thụ biến thành nhiệt năng làm cho môi tr ườ ng vật chất nóng lên.

Hiện tượ ng này xảy ra nhiều nhất ở các mặt ngăn cách giữa hai môi tr ườ ng có mật




195

độ khác nhau, đây chính là tác dụng nhiệt của sóng siêu âm.Do vậy khi chùm siêu

âm tác động lên cơ thể con ngườ i, hiệu ứng nhiệt gây giãn mạch, tăng cườ ng dinh

dưỡ ng, giảm đau có tác dụng điều tr ị chống teo cơ , chống co thắt cơ , chống viêm,

chống đau dây thần kinh, đau khớ p.

* Hiệu ứ ng hoá học

Sóng siêu âm có thể gây ra các phản ứng mà ở điều kiện bình thườ ng khó

xảy ra hoặc có vai trò làm xúc tác các phản ứng hoá học. Đặc biệt siêu âm làm tăng

các phản ứng phân ly các hợ p chất hữu cơ , làm tăng sự ion hoá và tạo ra nhiều gốc

tự do trong môi tr ườ ng. Sóng siêu âm cũng làm tăng quá trình thẩm thấu qua các

màng bán thấm. Chính vì vậy đối vớ i mô sinh học, siêu âm làm thay đổi những đặc

tính của nó như độ pH, điểm đẳng điện, áp suất thẩm thấu, áp suất keo. Siêu âm

cũng làm thay đổi sự chuyển hoá vật chất và hoạt tính các men sinh học trong cơ thể.Lợ i dụng những đặc tính này của siêu âm mà ngườ i ta có thể dùng siêu âm để điều tr ị

bệnh cao huyết áp, các bệnh dạ dày (vì siêu âm làm thay đổi độ toan của dịch vị).

Trong điều tr ị thườ ng dùng siêu âm có tần số 20KHz - 1MHz.

* Lư u ý: không dùng siêu âm để điều tr ị cho ngườ i có thai, đang bị sốt, mắc

bệnh lao và tr ẻ em.

15.2.2.2.Ứ ng d ụng c ủa siêu âm trong ch ẩ n đ oán

Sóng siêu âm khi truyền qua các tổ chức sống trong cơ thể sẽ bị hấ p thụ hoặc phản xạ. K ết quả của sự phản xạ và hấ p thụ phụ thuộc vào tính chất, cấu trúc của

các tổ chức sống, do đó nó gián tiế p phản ánh tình tr ạng, cấu trúc của các tổ chức

sống này thông qua hình ảnh sóng siêu âm trên màn hình.

* Chẩ n đ oán bằ ng hình ảnh siêu âm

- Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua.

S ơ đồ nguyên lý cách t ạo ảnh nh ờ chùm siêu âm truy ền qua

Khi chùm siêu âm truyền qua tổ chức, cườ ng độ của chùm siêu âm đã bị

giảm so vớ i ban đầu (do bị tổ chức hấ p thụ) nhưng cườ ng độ chùm siêu âm bị giảm

nhiều hay ít lại tuỳ thuộc vào cấu trúc, tính chất, bề dày của tổ chức mà nó truyền

Đầu vàmáy phátsiêu âm

Đối tượ ngkhảo sát

Đầu vàmáy thu

Siêu âm

Biến đổi tínhiệu thành

hình ảnh




196

qua. Chùm siêu âm sau khi đã truyền đối tượ ng sẽ đượ c thu lại thể hiện bằng những

hình ảnh khác nhau tuỳ thuộc vào cườ ng độ chùm siêu âm. Nhà chuyên môn sẽ căn

cứ vào hình ảnh đó để xác định đượ c về mặt hình thái, cấu trúc của đối tượ ng là

bình thườ ng hay bệnh lý. Hình ảnh ghi đượ c là hình ảnh gián tiế p đượ c tạo bở i

chùm siêu âm truyền qua.

- Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân cách đối

tượ ng khảo sát vớ i môi tr ườ ng xung quanh.

S ơ đồ nguyên lý cách t ạo ảnh nh ờ chùm siêu âm ph ản x ạ

Khi chùm siêu âm truyền qua các lớ p vật chất có âm tr ở khác nhau sẽ xảy ra

hiện tượ ng phản xạ ngay tại bề mặt phân cách giữa hai môi tr ườ ng. Cườ ng độ chùm

siêu âm phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch về âm tr ở giữa 2 môi tr ườ ng. Do vậy

khi cho chùm siêu âm tác động vào cơ thể, khi qua các tổ chức có âm tr ở khác nhau

sẽ gặ p hiện tượ ng phản xạ, bộ phận thu sóng phản xạ có cườ ng độ khác nhau và

biến đổi thành hình ảnh. Nhà chuyên môn sẽ căn cứ vào hình ảnh ghi lại đượ c đó để

xác định về mặt hình thái và cấu trúc của đối tượ ng là bình thườ ng hay bệnh lý.

Hình ảnh ghi đượ c là hình ảnh gián tiế p của đối tượ ng đượ c tạo bở i chùm siêu âm

phản xạ.

* Chẩ n đ oán chứ c năng d ự a vào hiệu ứ ng Doppler

Một chùm siêu âm phát ra gặ p một vật chuyển động nó sẽ bị phản xạ lại, tần

số sóng phản xạ phụ thuộc vào chiều chuyển động và tốc độ chuyển động của vật.Đây chính là hiệu ứng Doppler. Nhờ hiệu ứng này ngườ i ta có thể đo đượ c tốc độ di

chuyển của hồng cầu, từ đó có thể tính đượ c lưu lượ ng máu qua mạch máu có bình

thườ ng không.

Chính vì vậy phươ ng pháp này đượ c dùng để chẩn đoán các bệnh của tuần

hoàn ngoại biên như viêm tắc động mạch, t ĩ nh mạch, rò động mạch… hoặc có thể

PhátMáy và đầuSiêu âm Thu

Bộ biến đổi tín hiệuthành hình ảnh vàghi lại.

Đối tượ ng khảo sát




197

dùng để chẩn đoán các bệnh lý của tim như còn ống thông động mạch, thông liên

thất... Thí dụ: có thể thăm khám các mạch máu lớ n bằng hiệu ứng Doppler. Tần số

sóng siêu âm thu đượ c biểu hiện bằng một đườ ng cong phản ánh tốc độ tức thờ i của

máu tại nơ i thăm khám. ở tr ạng thái bình thườ ng mỗi mạch máu có một đườ ng cong

đặc tr ưng liên quan rõ r ệt vớ i đườ ng kính cũng như vùng tướ i máu của nó.

- Lưu ý: Để tránh cho chùm siêu âm bị không khí hấ p thụ và gây phản xạ

ngay trên mặt da ng ườ i bệnh, giữ a đầu dò siêu âm và da ng ườ i bệnh, ng ườ i ta

thườ ng bôi đệm một l ớ p d ầu (paraphin, lanolin hoặc glycerin…) có âm tr ở g ần

giố ng như của cơ thể để loại bỏ đượ c l ớ p không khí len giữ a nhằ m loại bỏ phản xạ

làm chùm siêu âm truyề n đế n cơ thể một cách toàn vẹn.




198

Chươ ng 16

CÁC HIỆN TƯỢ NG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG

16.1. HIỆN TƯỢ NG ĐIỆN SINH VẬT - CƠ CHẾ PHÁT SINH VÀ LAN TRUYỀN

16.1.1. Các loại điện thế sinh vật cơ bản16.1.1.1. Khái quát v ề các hi ện t ượ ng đ i ện sinh v ật

Năm 1786, nhà vật lý kiêm bác s ĩ ngườ i ý Ganvanni đã phát hiện một tính

chất vô cùng quan tr ọng, đặc tr ưng cho mọi tổ chức tế bào sống là giữa chúng vớ i

môi tr ườ ng xung quanh luôn tồn tại một sự chênh lệch về điện thế có giá tr ị vào

khoảng 0,1 mV.

Để ghi nhớ công ơ n này của ông ngày nay tên ông đang đượ c đặt cho một

loại nguồn điện một chiều: pin Ganvanni và một phươ ng pháp chữa bệnh cũng đượ cmang tên ông: Ganvanni liệu pháp.

Sau này ngườ i ta còn phát hiện, ở một vài sinh vật, cá biệt cơ thể chúng có

thể phát ra những xung điện có biện độ lên tớ i hàng tr ăm mV và cườ ng độ dòng cỡ

hàng chục mA. (ví dụ như một loại cá đuối hoặc một số loài cây phát điện mà ngườ i

ta phát hiện ra ở sa mạc châu Phi...).

Tuy nhiên phải tớ i những năm đầu của thế k ỷ 20, nhờ những tiến bộ của các

nghành KHKT đặc biệt là các thành tựu trong l ĩ nh vực vật lý và vật lý y học ngườ ita mớ i làm sáng tỏ cơ chế phát sinh, lan truyền và bản chất của các hiện tượ ng điện

sinh vật này từ đó ngườ i ta đã nhanh chóng ứng dụng chúng một cách có hiệu quả

vào nhiều l ĩ nh vực mà tr ướ c hết là trong các ngành sinh học và y học... (chẳng hạn

các phươ ng pháp chữa bệnh bằng vật lý tr ị liệu, phươ ng pháp điện di, các thiết bị

ghi - đo điện tim, điện cơ , điện não, điện võng mạc đồ...).

Gần đây giớ i khoa học trong và ngoài nướ c đang quan tâm r ất nhiều đến mối

liên quan giữa những hiện tượ ng đặc biệt như: "linh tính”, "giác quan thứ sáu”, "khả năng ngoại cảm”,... vớ i các hoạt động điện của các cơ thể sinh vật.

Ngay trong nướ c ta, khoảng chục năm tr ở lại đây dư luận cũng đã bàn tán và

tranh luận khá nhiều về sự ra đờ i của một lý thuyết có tên gọi: "lý thuyết tr ườ ng

sinh học” hay "lý thuyết cận tâm lý” do một nhóm các nhà khoa học có tên tuổi

khở i xướ ng.




199

Tính đúng đắn, tính khoa học, cũng như giá tr ị thực tiễn của lý thuyết này

cho đến nay vẫn còn là đề tài gây nhiều tranh luận, tuy nhiên đối vớ i chúng ta,

những ngườ i đang tr ực tiế p công tác trong l ĩ nh vực y - sinh và vật lý học thì đây

cũng là một đề tài r ất hấ p dẫn và đáng quan tâm, tất nhiên vớ i một thái độ hết sức

khách quan và khoa học.16. 1.1.2. Các lo ại đ i ện th ế sinh v ật c ơ b ản

* Điện thế nghỉ

Xét thí nghiệm sau:

- Dụng cụ:

+ Một điện k ế cực nhạy G.

+ 2 vi điện cực có kích thướ c r ất nhỏ

- Đối tượ ng nghiên cứu là một tế bào

hoặc một tổ chức nào đó của cơ thể sống (cụ thể trong thí nghiệm này là một sợ i thần kinh).

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Bướ c 1: Đặt 2 vi điện cực (kí hiệu I và

II) tiế p xúc vớ i 2 điểm A và B cùng nằm trên

bề mặt bên ngoài sợ i thần kinh (hình a). Quan

sát kim của điện thế G ta thấy kim không hề

nhúc nhích ngh ĩ a là giữa 2 điểm A và B không

có sự chênh lệch về điện thế.+ Bướ c 2: Giữ nguyên điện cự c I ở A

(bên ngoài) nhẹ nhàng chọc điện cự c II xuyên

qua màng vào bên trong tổ chứ c (tại B). Quan

sát điện cực G ta sẽ thấy kim của điện thế G quay

một góc và chỉ một giá tr ị nhất định. Điều này có

ngh ĩ a là giữa 2 điểm A và B trong tr ườ ng hợ p này

đã có một sự chênh lệch về điện thế.

+ Bướ c 3: Giữ nguyên điện cự c II ở B vàtiếp tục chọc điện cự c I xuyên qua màng vào

bên trong tổ chứ c. Quan sát ta thấy kim điện k ế

lại tr ỏ về vị trí số 0 ban đầu. Có ngh ĩ a là giữa 2

điểm A và B lúc này (cùng ở bên trong tổ chức)

cũng không có sự chênh lệch về điện thế.

(a)

(b)

(c)

I IIA B

B

I

A

II

AB

III

Hình 16 .1




200

Ngườ i ta đã tiến hành thí nghiệm này vớ i nhiều đối tượ ng khác nhau của

nhiều loại cơ thể sinh vật khác và đều thu đượ c k ết quả tươ ng tự. Từ các k ết quả

thực nghiệm đó, có thể rút ra những k ết luận như sau:

1. Giữa một điểm nằm bên ngoài và một điển nằm bên trong của một tổ chức

hoặc một tế bào sống luôn tồn tại một sự chênh lệch về điện thế mà giá tr ị của độc chênh

lệch điện thế này đượ c gọi là điện thế nghỉ hay điện thế t ĩ nh của tổ chức hay tế bào đó.

2. Căn cứ chiều quay của kim và dấu của các điện cực, ngườ i ta còn xác định

đượ c điện thế tại một điểm nằm trong màng mang giá tr ị âm còn ở ngoài màng thì

mang giá tr ị dươ ng và ngườ i ta cũng quy ướ c: điện thế nghỉ mang giá tr ị âm.

3. Điện thế nghỉ hầu như không thay đổi theo thờ i gian, nó là một thuộc tính

vốn có đặc tr ưng cho mọi tổ chức và tế bào sống.

4. Ngườ i ta cũng còn phát hiện điện thế nghỉ còn tồn tại giữa một điểm bị thươ ng

tổn vớ i xung quanh và chính vì thế điện thế nghỉ còn đượ c gọi là: điện thế tổn thươ ng.

* Điện thế hoạt động

Để tìm hiểu khái niệm này, ngườ i ta thườ ng tiến hành theo 2 phươ ng pháp.

- Phươ ng pháp 2 pha

Tr ở lại thí nghiệm trên, nhưng bắt đầu bằng việc đo điện thế tại 2 điểm A và

B cùng nằm bên ngoài màng. Khi đó kim điên thế chỉ số 0.

Bây giờ ta dùng một tác nhân nào đó (chọc kim, dùng xung điện,...) kích

thích vào sợ i dây thần kinh tại điểm C và quan sát kim điện k ế ta thấy:+ Thoạt đầu kim điện thế quay sang phải, đến một giá tr ị nào đó kim dừng lại và

bắt đầu đảo chiều quay, nhưng qua vị trí số 0, kim không dừng lại mà tiế p tục lệch sang

bên trái. Đến vị trí đối diện, kim dừng lại r ồi một lần nữa đảo chiều quay tr ở về vị trí số

0 ban đầu. Có thể biểu diễn k ết quả quan sát thấy trên bằng đồ thị sau:

Qua thí nghiệm ta rút ra k ết luận:

U AB

T (s)

0

Hình 16.2




201

1. Dướ i tác dụng của tác nhân kích thích bên trong sợ i dây thần kinh xuất

hiện một điện thế, điện thế này còn đượ c gọi là điện thế hoạt động hay điện thế kích

thích. Điện thế này có giá tr ị âm và lan truyền dọc theo sợ i thần kinh.

2. Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của điện thế nghỉ dướ i tác

dụng của tác nhân kích thích (ngh ĩ a là biên độ của điện thế hoạt động đúng bằng biên độ của điện thế nghỉ của tổ chức, tế bào).

- Giải thích thí nghiệm:

Để giải thích, tr ướ c hết ta cần lưu ý 2 điểm:

+ Trong thí nghiệm trên, thưc ra chúng ta không đo đượ c điện thế thực mà là

đo đượ c độ chênh lệch điện thế giữa hai A và B mà giá tr ị của độ chênh lệch đó

đượ c gọi là điện thế nghỉ hay điện thế hoạt động ứng vớ i tr ườ ng hợ p tế bào dang ở

tr ạng thái nghỉ ngơ i hay tr ạng thái làm viêc. Do đó có thể hiểu: thí nghiệm là

phươ ng pháp gián tiế p giúp chúng ta phát hiện sự tồn tại của điện thế nghỉ cũng như

của sự xuất hiện và lan truyền của điện thế hoạt động.

+ Đườ ng cong trên đồ thị biểu diễn

sự biến đổi của hiệu điện thế giữa 2 điểm

A và B, song nó cũng phản ánh k ết quả

của sự xuất hiện và lan truyền của hiệu

điện thế hoạt động.

Vớ i quan điểm như vậy, ta có thể

giải thích hiện tượ ng mà chúng ta đã quan

sát thấy trong thí nghiệm như sau:

Lúc đầu điện thế tại điểm A và điểm

B cùng có giá tr ị dươ ng và bằng nhau →

hiệu điện thế giữa hai điểm này (cùng ở bên

ngoài màng) bằng 0 → kim điện thế chỉ số 0.

Dướ i tác dụng của tác nhân kích

thích, tại điểm C xuất hiện một hưng phấnkèm theo đó là một điện tích âm mà giá tr ị

của nó chính là điện thế hoạt động (Vhd),

điện thế âm này lan truyền dọc theo sợ i

thần kinh.

Khi lan truyền đến A, điện thế tại A

C

C

I II

A B

I

A B

II

I II

A B

Hình 16.3




202

đang giữ giá tr ị dươ ng sẽ tr ở thành mang giá tr ị âm còn điện thế tại B vẫn dươ ng do đó

xuất hiện sự chênh lệch điện thế giữa A và B nên kim điện k ế quayvà cho ta biết giá tr ị

của độ chênh lệch lúc đó (tức UAB).

Hưng phấn truyền qua A đến khoảng giữa A và B khi đó điện thế tại A lại

mang giá tr ị dươ ng và B vẫn mang giá tr ị dươ ng nên UAB triệt tiêu → kim điện k ế

quay về vị trí số 0. Sau đó hưng phấn lan truyền đến B lúc này điện thế của B lại

mang giá tr ị âm còn A mang giá tr ị dươ ng → sự chênh lệch điện thế lại xuất hiện

nhưng có chiều ngượ c vớ i tr ườ ng hợ p ban đầu do đó kim điện k ế quay và chỉ vào

giá tr ị ở phía đối diện. Hưng phấn tiế p tục lan truyền qua B và đi ra xa khi đó điện

thế tại B lại tr ở về giá tr ị dươ ng và sự chênh lệch điện thế giữa A và B cũng triệt

tiêu → kim điện k ế tr ở về 0 r ồi dừng lại.

- Phươ ng pháp 1 phaTa cũng tr ở lại thí nghiệm trên những bắt đầu bằng việc đo điện thế nghỉ.

Khi đó kim điện k ế quay chỉ giá tr ị của điện thế nghỉ. Bây giờ , dùng tác

nhân kích thích vào sợ i thần kinh tại điểm C, quan sát kim điện k ế G ta thấy:

A

II

B

I

B

III

A

Hình 16.4

U(AB)

T (s)

U(nghỉ)

0

A

B

I II

Hình 16.5 Hình 16.6




203

kim từ từ tr ở về vị trí số 0, sau đó nó lại tr ở về vị trí của điện thế nghỉ ban đầu.

Quá trình đó có thể biểu diễn trên đồ thị 2.

Từ thí nghiệm, chúng ta cũng rút ra nhận xét:

+ Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của điện thế nghỉ dướ i tác

dụng của tác nhân kích thích.

+ Điện thế hoạt động cũng có giá tr ị âm và lan truyền dọc theo sợ i dây

thần kinh T.

Phươ ng pháp thí nghiệm trên đượ c gọi là phươ ng pháp 1 pha bở i vì trên đồ thị

nó đươ c biểu diễn bở i chỉ 1 pha chiều dươ ng của đồ thị.

Để k ết thúc, cần lưu ý thêm r ằng:

Điện thế hoạt động cũng đo đượ c giữa một tổ chức nghỉ ngơ i và một tổ chức đang

làm việc.

Gần đây nhờ sử dụng các thiết bị ghi hiện đại, ngườ i ta đã đo đượ c chính xác

và tỉ mỉ hơ n đườ ng cong biểu diễn sự biến đổi của điện thế hoạt động theo thờ i gian.

Ngườ i ta thấy r ằng, đườ ng cong đó không dừng lại ở giá tr ị 0 mà vượ t sang phần có

giá tr ị dươ ng. Đỉnh của đườ ng cong đó lại có dạng gai nhọn và đượ c gọi là phần

“overhead”.

16.1.2. Lý thuyết ion màng - Cơ chế phát sinh và lan truyền các loại điện thế

sinh vật

Bằng một loạt công trình thực nghiệm các nhà khoa học chỉ ra r ằng: cơ thể

sinh vật là một môi tr ườ ng chứa đầy dung dịch điện ly bao gồm các ion âm và ion

dươ ng và đối vớ i mỗi tổ chức, mỗi tế bào thì chừng nào chúng còn sống nồng độ

các chất điện ly giữa hai phía của màng tổ chức hay tế bào đó còn có sự chênh lệch

và chính sự chênh lệch về nồng độ của các hạt mang điện này dẫn đến sự chênh lệch

về điện tích và từ đó dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai phía của màng.Từ quan niệm đó các nhà khoa học đã khẳng định: việc khảo sát các dấu hiệu về

điện xuất hiện khi có sự chênh lệch về nồng độ của các ion giữa hai phía của màng là

con đườ ng đúng đắn để tìm hiểu cơ chế của các hiện tượ ng điện sinh vật mà ta đã biết.

Một trong những thuyết đượ c đưa ra đầu tiên là lý thuyết ion màng của Becstein.




204

16.1.2.1. N ội dung lý thuy ế t i on màng c ủa Becstein

- Các ion K +, Na+, và Cl- là các ion đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động điện

của mọi tế bào và tổ chức sống.

- Nồng độ các ion nói trên giữa 2 phía của màng luôn luôn có sự chênh lệch

đáng k ể. Chẳng hạn nồng độ K + ở trong tế bào lớ n hơ n K + ở ngoài màng khoảng 40

lần, còn nồng độ của Na+ và Cl- ở ngoài lớ n hơ n ở bên trong tế bào khoảng 10 lần.

- Màng tế bào có tính thấm lọc lựa đối vớ i các ion này. Cụ thể: ở tr ạng thái

nghỉ chỉ có K + qua lại màng đượ c dễ dàng, còn Na+ và Cl- thì không qua màng đượ c.

- Khi tế bào ở tr ạng thái hưng phấn, tức là khi nó bị kích thích hoặc đang từ

tr ạng thái nghỉ ngơ i sang tr ạng thái làm việc, tính thấm của màng sẽ thay đổi một

cách đột ngột đối vớ i ion Na+ . ở tr ạng thái nghỉ, tính thấm của màng đối vớ i K +:

Na+:Cl- = 1: 0,04: 0,45; ở tr ạng thái hoạt động tỷ lệ này là 1: 20: 0,45. Ngh ĩ a là tínhthấm của màng đối vớ i Na+ tăng 500 lần.

16.1.2.2. C ơ ch ế c ủa đ i ện th ế ngh ỉ

- Ở nội dung 1 và 2 của lý thuyết ion màng chỉ ra r ằng các ion hai phía của

màng có sự chênh lệch về nồng độ. Vì vậy, luôn có xu hướ ng các ion K + từ trong ra

ngoài tế bào và các ion Na+, Cl- từ ngoài vào trong tế bào theo hiện tượ ng khuyếch

tán mà chưa tính đến vai trò của màng thì theo chiều Gradien nồng độ.

- Ở nội dung thứ 3 của lý thuyết ion màng nói về tính thấm của màng có tínhchất lọc lựa, ở tr ạng thái nghỉ chỉ có K + qua lại đượ c màng, nên các ion này sẽ

khuếch tán từ trong tế bào là nơ i có nồng độ cao ra phía ngoài của màng là nơ i có

nồng độ thấ p (dướ i tác dụng của Grandien nồng độ). Cũng có ngh ĩ a là đã có một

dòng các điện tích dươ ng dịch chuyển từ trong tế bào ra ngoài màng. Do vậy tính

trung hoà điện ở tế bào, tổ chức bị phá vỡ , k ết quả là lượ ng điện tích ở phía ngoài

màng sẽ tăng lên còn trong tế bào sẽ giảm đi do đó xuất hiện sự chênh lệch về điện

thế giữa 2 phía của màng mà giá tr ị của sự chênh lệch đó đượ c gọi là điện thế nghỉ.

16.1.2.3. C ơ ch ế c ủa đ i ện th ế ho ạt động

Khi tế bào ở tr ạng thái hưng phấn do tính thấm của tế bào đối vớ i Na+ đã tăng

gấ p 500 lần do đó các ion Na+ từ phía ngoài là nơ i có nồng độ cao sẽ ào ạt tràn vào

trong tế bào dướ i tác dụng của Gradien nồng độ, làm cho lượ ng điện tích dươ ng bên

trong tế bào đã tăng và do đó sự chênh lệch điện tích giữa 2 phía của màng cũng bị




205

triệt tiêu. Điều đó cũng có ngh ĩ a là đã xuất hiện một sự chênh lệch về điện thế nhưng

có chiều ngượ c vớ i chiều của điện thế nghỉ, độ chênh lệch điện thế xuất hiện khi tế

bào ở tr ạng thái hưng phấn đượ c gọi là điện thế hoạt động. Điều giải thích nói trên

hoàn toàn phù hợ p vớ i các k ết quả quan sát đượ c trong thực nghiệm. Ngh ĩ a là điện

thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của của điện thế nghỉ khi tế bào bị kích

thích hoặc khi nó từ tr ạng thái nghỉ ngơ i chuyển sang tr ạng thái hoạt động.

16.1.2 .4. H ạn ch ế c ủa lý thuy ế t i on màng

- Lý thuyết ion màng không chỉ rõ theo cơ chế nào mà tính thấm của màng

lại thay đổi đột ngột vớ i các ion K +, Na+ trong giai đoạn của điện thế hoạt động.

- Lý thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của ion hoá tr ị 2 như ion Ca++.

- Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho r ằng toàn bộ các ion ở hai phía của

màng ở tr ạng thái tự do, ngh ĩ a là có thể khuyếch tán qua màng đượ c (thí nghiệm đã

chứng minh: trong cơ có một lượ ng K + ở tr ạng thái liên k ết và chúng không tham

gia quá trình tạo nên điện sinh vật).

- Thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của màng. Khi tế bào bị kích thích

màng có sự biến đổi về cấu trúc, hình dạng của các phân tử cấu tạo nên màng.

16.2. CƠ CHẾ DẪN TRUYỀN SÓNG HƯ NG PHẤN TỪ THẦN KINH ĐẾN CƠ

16.2.1. Khái niệm hư ng phấn

Hưng phấn là sự chuyển từ tr ạng thái nghỉ ngơ i sang tr ạng thái hoạt động.

Hưng phấn bao gồm hai cơ chế: cơ chế tiế p nhận kích thích bở i các thị quan và cơ

chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não để xử lý thông tin

và phát tín hiệu thực hiện phản ứng tr ả lờ i. Tín hiệu kích thích r ất đa dạng nhưng

chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất...) và tín hiệu hóa học (hoocmon,

mùi vị,..). Chức năng chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện (tức sóng hưng

phấn) và dẫn truyền sóng hưng phấn do noron thực hiện. Thực hiện phản ứng tr ả lờ i

có thể là cơ quan, mô, tế bào và cả ở mức độ phân tử. Trong hệ sinh vật, từ sinh vật

đơ n bào tớ i sinh vật đa bào tuy có mức độ tiến hóa khác xa nhau nhưng đều tồn tại

tính hưng phấn để thích nghi vớ i sự thay đổi của môi tr ườ ng sống.




206

16.2.2. Khái niệm ngưỡ ng hư ng phấn

Ngưỡ ng hưng phấn đượ c xác

định bằng cườ ng độ nhỏ nhất và thờ i

gian kích thích ngắn nhất để có thể tạo

nên sự hưng phấn.Cườ ng độ nhỏ nhất

kích thích để tạo ra đượ c phản ứng tr ả

lờ i gọi là 1 reobaz. Thờ i gian ngắn

nhất khi kích thích 1 reobaz để tạo ra

đượ c phản ứng tr ả lờ i là thờ i gian có

ích (hình 16.7). Trong thực nghiệm

xác định thờ i gian có ích r ất khó nên

Lapicque lấy thờ i gian ứng vớ i 2 reobazđể đo ngưỡ ng.

Thờ i gian kích thích, gọi là thờ i tr ị. Đườ ng biểu diễn tươ ng quan giữa cườ ng

độ và thờ i gian kích thích là đườ ng hipecbol, ứng vớ i phươ ng trình do Weiss đưa ra

năm 1901: bt

ai += (16.1)

i: cườ ng độ kích thích, t: thờ i gian kích thích

a: hằng số ứng vớ i đườ ng thẳng thờ i gian chạy song song vớ i tr ục tung

b: hằng số ứng vớ i đườ ng thẳng cườ ng độ chạy song song vớ i tr ục hoành

Nếu cườ ng độ i = 2b, ngh ĩ a là bằng 2 reobaz thì phươ ng trình trên sẽ có dạng:

bt

ab +=2

t

ab =

b

at =

Thờ i tr ị thay đổi tùy theo mô. Ví dụ ở ngườ i thờ i tr ị của cơ duỗi dài gấ p từ

1,5 đến 2 lần so vớ i cơ gậ p.

16.2.3. Cơ chế dẫn truyền sóng hư ng phấn trong dây thần kinh

Thí nghiệm của Hodgkin và Katz đã chứng minh dòng điện hưng phấn xuấthiện trong dây thần kinh khi bị kích thích có bản chất ion. Hodgkin và Katz cũng chỉ

rõ K + có vai trò chính trong việc duy trì điện thế t ĩ nh còn Na+ lại có vai trò chính

trong việc hình thành nên điện thế hoạt động (tức sóng hưng phấn). Tùy thuộc vào

bản chất của dây thần kinh như có mielin bao bọc hay không, đườ ng kính sợ i tr ục,

chức năng của noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác nhau (xem bảng)

Hình 16.7. T ươ ng quan giữ a cườ ng

độ và thờ i gian kích thích




207

Bảng 16.1.

Tốc độ truyền (m/s)Kiểu sợ i

Đườ ngkính sợ i

(μ)Biến nhiệt

(20oC)Đồng nhiệt

(37oC)Chứ c năng

Anpha 10 - 20 20 - 40 60 - 120 Sợ i vận động cơ

Beta 7 - 5 16 - 30 40 - 90 Sợ i thu cảm (sờ mó)

Gamma 4 - 8 8 - 16 30 -45 Sợ i hướ ng tâm từ cơ

Denta 2,5 - 5 5 - 9 16 - 25 Sợ i thu cảm da (nóng, lạnh)

B 1 - 3 2 - 6 3 - 5 Sợ i tiền hạch dinh dưỡ ng

C 0,3 - 1,5 0,3 - 0,8 0,5 - 2 Sợ i hậu hạch giao cảm

Kiểu sợ i thần kinh và tốc độ dẫn truyền sóng hư ng phấn trong dây thần kinh

K ết quả ở bảng trên cho thấy động vật đồng nhiệt (chim, thú, ngườ i) có tốcđộ truyền dẫn sóng hưng phấn trong dây thần kinh nhanh hơ n so vớ i động vật biến

nhiệt (ếch, cá, lưỡ ng thê). Các sợ i thần kinh dẫn truyền cảm giác đau đớ n có tốc độ

dẫn truyền chậm nhất (0,7 - 1,3 m/s), các sợ i hướ ng tâm dẫn truyền cảm giác sờ mó

có tốc độ cao hơ n đạt 50 m/s, còn các sợ i hướ ng vận động có tốc độ dẫn truyền

nhanh nhất đạt tớ i 160 m/s.

Sợ i tr ục thần kinh cũng là một dây dẫn điện và nếu là sợ i tr ần (không có

mielin bao bọc) thì dịch bào tươ ng bên trong sợ i tr ục có điện tr ở là R t còn màng

noron có điện tr ở là R m. Đối vớ i dây thần kinh có mielin bao bọc và do mielin làmột chất cách điện r ất tốt nên noron chỉ tiế p xúc vớ i môi tr ườ ng ngoài qua eo

Ranvie. Khi đó noron chỉ tiế p nhận kích thích qua eo Ranvie và dòng điện hưng

phấn cũng chỉ bị suy giảm do truyền điện ra bên ngoài qua eo Ranvie. Khi bị kích

thích sẽ xuất hiện xung điện thế hoạt động tại điện cực kích thích (cực âm) và đượ c

ký hiệu là Vo. Do bị tiêu hao một phần năng lượ ng điện thế để thắng điện tr ở trong

của bào tươ ng sợ i trúc và bị rò qua màng noron nên giá tr ị của điện thế hoạt động bị

giảm dần. Điện tr ở trong của bào tươ ng càng nhỏ thì điện thế họat động bị giảm

càng ít và điện tr ở màng noron càng lớ n thị điện thế hoạt động cũng bị giảm càng ít. Ngượ c lại, điện tr ở trong của bào tươ ng lớ n thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều và

điện tr ở màng noron nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều. Các nhà khoa học đã

xác định đượ c giá tr ị điện thế hoạt động sau khi phát sinhlà Vo, truyền theo sợ i tr ục

thần kinh quãng đườ ng là x có giá tr ị là Vx đượ c tính theo công thức:




208

m

t

x

R

R x 0V V .e

−

= (16.2)

R m: điện tr ở màng noron tỷ lệ thuận vớ i điện tr ở riêng của 1 cm2 màng (ký

hiệu là r m) và tỷ lệ nghịch vớ i bán kính sợ i tr ục thần kinh (ký hiệu là r).

r 2

r R m

mπ

= (16.3)

R t: điện tr ở trong của bào tươ ng cũng tỷ lệ thuận vớ i điện tr ở riêng của 1cm3

bào tươ ng (ký hiệu là r t) và tỷ lệ nghịch vớ i bình phươ ng bán kính sợ i tr ục (r).

2t

t r

r R

π = (16.4)

Các nhà khoa học đã tính đượ c ở động vật thuộc lớ p thú, sợ i tr ục dây thần

kinh có mielin bao bọc có bán kính r = 16μm, r m = 5000 Ω/cm

2

và r t = 50 Ω/cm

3

,điện thế hoạt động Vo truyền đượ c 1 mm (là khoảng cách giữa 2 eo Ranvie) còn lại

giá tr ị Vx đượ c tính theo công thức:

Vx = Vo.0,5 (16.5)

Nếu điện cực kích thích đặt ở eo Ranvie thứ nhất (gọi là Ranvie 1) làm phát

sinh điện thế hoạt động là Vo = 100mV khi truyền đến eo Ranvie thứ hai (gọi là

Ranvie 2) sẽ còn 50mV. Thực nghiệm xác định eo Ranvie có ngưỡ ng kích thích

điện là 20mV. Do đó, dòng điện hưng phấn, tức điện thế hoạt động phát sinh ở eo

Ranvie 1 có giá tr ị là 100mV khi truyền đến eo Ranvie 2 còn 50mV đã kích thích eoRanvie 2 phát sinh điện thế hoạt động có độ lớ n 100mV.

Hưng phấn

Hình 16 .8. Dẫ n truyề n hư ng phấ n trong dây thần kinhkhông có mielin bao bọc

A và C: Vùng noron ở tr ạng thái t ĩ nh (trong âm, ngoài dươ ng)B: Vùng noron ở tr ạng thái hưng phấn (trong dươ ng, ngoài âm): sợ i tr ục noron2: dòng điện hưng phấn3: hướ ng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ươ ng




209

Cứ lặ p lại như vậy, dòng điện hưng phấn hay các xung điện thế hoạt động có

độ lớ n 100mV đượ c truyền đi theo noron cảm giác về hệ thần kinh trung ươ ng để

phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mô hay cơ quan thực hiện phản ứng

tr ả lờ i. Đối vớ i dây thần kinh không có mielin bao bọc, khi kích thích một vùng nào

đó thì tại vùng đó màng mất phân cực r ồi đảo cực nên có điện tích trái dấu vớ i vùng

xung quanh còn đang ở tr ạng thái t ĩ nh (hình 80). Tại vùng hưng phấn xuất hiện

dòng điện hưng phấn nó lại kích thích vùng lân cận và lại tạo ra dòng điện hưng

phấn mớ i giống như dòng điện hưng phấn phát sinh tại vùng bị kích thích. Sự xuất

hiện của dòng điện hưng phấn sau khi bị kích thích cứ lan truyền như vậy trên suốt

chiều dài của dây thần kinh một cách liên tục. Vì vậy, tốc độ dẫn truyền của dòng

điện hưng phấn trong dây thần kinh không có mielin bao bọc thườ ng chậm và tiêu

hao nhiều năng lượ ng.Đối vớ i dây thần kinh có mielin bao bọc, do mielin là một chất cách điện tốt

nên màng noron chỉ tiế p nhận kích thích ở eo Ranvie và màng noron cũng chỉ mất

phân cực và đảo cực (tức sinh điện thế hoạt động) ở tại eo Ranvie (Hình 81).

Hình 16.9. Dẫ n truyề n hư ng phấ n trong dây thần kinh có mielin bao bọc

R 1 và R 3: eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 ở tr ạng thái t ĩ nh

R 2: eo Ranvie 2 ở tr ạng thái hưng phấn khi bị kích thích

1: sợ i tr ục noron 2: bao mielin

3: dòng điện hưng phấn

4: hướ ng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ươ ng

Theo hình 16.9, khi kích thích ở eo Ranvie 2 thì màng noron hưng phấn dẫn

tớ i bị đảo cực (trong có điện tích dươ ng (+), ngoài có điện tích âm (-), có điện tích

trái dấu vớ i eo Ranvie 1 và Ranvie 3 đang ở tr ạng thái t ĩ nh (trong có điện tích âm (-),

ngoài có điện tích dươ ng (+). Tại eo Ranvie 2 sẽ xuất hiện điện thế hoạt động (tức




210

dòng điện hưng phấn) và dòng điện hưng phấn này khi truyền đến eo Ranvie 3 tuy

đã giảm đi khoảng một nửa nhưng vẫn lớ n hơ n ngưỡ ng gây kích thích nên đã tạo ra

hưng phấn ở eo Ranvie 3, tức là lại tạo ra điện thế hoạt động mớ i có độ lớ n giống

như điện thế hoạt động phát sinh lúc ban đầu ở ưo Ranvie 2. Dòng điện hưng phấn

cứ lan truyền theo kiểu "nhảy" từ eo Ranvie này đến eo Ranvie lân cận vớ i khoảng

cách bướ c nhảy là 1 milimet, theo hướ ng về hệ thần kinh trung ươ ng nên có tốc độ

truyền nhanh hơ n và ít tiêu hao năng lượ ng hơ n so vớ i dây thần kinh không có

mielin bao bọc. Như ở hình 16.8, dòng điện hưng phấn truyền theo hướ ng từ vùng

B đến vùng C, còn ở hình 16.9, dòng điện hưng phấn "nhảy" từ eo Ranvie 2 sang eo

Ranvie 3 theo hướ ng về hệ thần kinh trung ươ ng (hoặc tủy sống) đối vớ i dây thần

kinh hướ

ng tâm còn theo hướ

ng từ

tủy s

ống hay h

ệ th

ần kinh trung

ươ ng t

ớ i mô hay

cơ quan để thực hiện phản ứng tr ả lờ i vớ i dây thần kinh ly tâm. Mặc dù vậy, vớ i dây

thần kinh tr ần, phía ngoài màng noron có dòng điện truyền từ vùng C về vùng B

(hình 16.8), từ eo Ranvie 3 về eo Ranvie 2 (hình 16.9) nhưng đều không gây ra

hưng phấn vì khi đó màng noron tr ơ tuyệt đối nếu đang ở pha mất phân cực và đảo

cực (khoảng 1ms) hoặc tr ơ tươ ng đối nếu đang ở pha tái phân cực (khoảng 3ms)

nên không tiế p nhận kích thích. Như vậy, khi kích thích vùng B xuất hiện dòng điện

hưng phấn truyền đến kích thích vùng phía tr ướ c là C thì hưng phấn lại xuất hiện dễ dàng còn nếu đã truyền đến vùng C lại quay về vùng B thì màng noron không tiế p

nhận sự kích thích. Đối vớ i dây thần kinh động vật máu nóng, thờ i gian tr ơ tuyệt đối

kéo dài khoảng 0,002 giây - 0,0004 giây. Nếu ta lấy vận tốc dẫn truyền trung bình

của dây thần kinh nhóm A là 60 m/s, khi truyền từ eo Ranvie 2 sang eo Ranvie 3

r ồi quay tr ở về eo Ranvie 2, quãng đườ ng là 2mm, tính ra thờ i gian chỉ mất có

0,3ms, nhỏ hơ n 1ms nên eo Ranvie 2 đang tr ơ tuyệt đối nên không tiế p nhận bất k ỳ

kích thích nào. Do vậy, dòng điện hưng phấn truyền trong dây thần kinh chỉ theo

một chiều xác định.

Do màng noron có tính tr ơ nên màng noron không thể phát sinh các xung

điện thế hoạt động một cách liên tục đượ c. thờ i gian tr ơ càng dài thì số lượ ng tối

đa các xung điện thế hoạt động đượ c màng noron phát sinh trong một đơ n vị thờ i




211

gian càng ít và ngượ c lại. Vedenski đã đưa ra khái niệm tính linh hoạt chức năng

để biểu thị khả năng hưng phấn của các tổ chức sống. Noron có tính linh hoạt chức

năng càng cao khi có khả năng truyền đượ c số lượ ng tối đa các xung điện thế hoạt

động trong một đơ n vị thờ i gian càng nhiều. Ngượ c lại, số lượ ng tối đa các xung

điện thế hoạt động đượ c truyền đi trong một đoen vị thờ i gian càng ít thì tính linh

hoạt chức năng của noron càng thấ p. Ví dụ, các noron vận động có thờ i gian tr ơ là

2 mili giây thì tối đa chúng chỉ truyền đượ c 500 xung điện thế hoạt động trong

một giây. Các noron trung gian có thờ i gian tr ơ nhỏ hơ n 1 mili giây nên chúng có

thể truyền tối đa 1000 xung điện thế hoạt động trong một giây. Rõ ràng các noron

trung gian có tính linh hoạt chức năng cao hơ n so vớ i các noron vận động.

16.2.4. Cơ

chế bàn giao h

ư ng ph

ấn qua xinap

16.2.4.1. C ấ u t ạo xinap

C ấ u trúc một xinap (Hình 16.10)

Các vị trí tận cùng sợ i tr ục của

một noron tiế p xúc vớ i các noron khác

và vớ i các tế bào cơ đượ c gọi là các

xinap. Cấu trúc một xinap thể hiện

trên hình gồm màng tr ướ c xinap, khe

xinap và màng sau xinap. Các xinap là

phần phình to của mút các nhánh của

sợ i tr ục norn tr ướ c. Trong cúc xinap

chứa thành phần quan tr ọng nhất, đó là các bóng xinap. Bên trong các bóng xinap

chứa chất môi giớ i. Giữa màng tr ướ c xinap và màng sau xinap là khe xinap, r ộng

khoảng 160A0 đối vớ i xinap noron - noron, còn r ộng khoảng 500A0 ở xinap noron - cơ .

Màng sau xinap có những thụ quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất môi giớ i.

16.2.4.2. Bàn giao h ư ng ph ấ n qua xinap theo c ơ ch ế v ật lý

Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron tr ướ c sang noron sau phải vượ t

qua màng tr ướ c xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cả ba thành phần này đều có

điện tr ở . Theo Katz, sau khi dòng điện hưng phấn vượ t qua ba điện tr ở thuộc cấu

trúc của xinap thì điện thế hoạt động từ giá tr ị ban đầu khoảng 120mV, khi đến

Hình 16.10




212

màng sau xinap chỉ còn khoảng 0,01mV. Thực nghiệm đã xác định, ngưỡ ng kích

thích màng sau xinap để gây ra hưng phấn là từ 20mV đến 40mV. Số liệu do Katz

đưa ra là không phù hợ p vớ i thức nghiệm. Để giải thích cơ chế truyền xung điện thế

hoạt động qua xinap theo cơ chế vật lý, các nhà khoa học cho r ằng màng tr ướ c,

màng sau và khe xinap có cấu trúc đặc biệt nên có điện tr ở r ất bé. Do vậy, xung

điện thế hoạt động dễ dàng vượ t qua ba thành phần điện tr ở trên nên khi đến màng

sau xinap giá tr ị điện thế hoạt động truy có bị giảm nhưng vẫn lớ n hơ n 40mV. Vớ i

giá tr ị vượ t ngưỡ ng gây hưng phấn, nó đã kích thích màng sau xinap làm cho màng

sau xinap mất phân cực r ồi đảo cực nên lại phát sinh xung điện thế hoạt động cũng

có giá tr ị 120mV và tiế p tục đượ c truyền đi theo sợ i tr ục của noron sau.

Tuy nhiên, giả thiết về ba thành phần cấu trúc của xinap có điện tr ở nhỏ, thực

nghiệm còn chưa xác định đượ c.16.2.4.3. Bàn giao h ư ng ph ấ n qua xinap theo c ơ ch ế hóa h ọc

Năm 1912 và 1921, Levi tiến hành thí nghiệm buộc hai tim cô lậ p vào ống

thông tim trong có chứa dung dịch sinh lý để hai tim thông vớ i nhau. Khi kích thích

dây mê tẩu của tim một thì tim một đậ p chậm và yếu, có khi ngừng đậ p. Đồng thờ i

tim hau cũng đậ p chậm và yếu, có khi ngừng đậ p như tim một. Nếu kích thích dây

giao cảm của tim một thì làm cho cả tim một và tim hai đều đạ p nhanh và đậ p mạnh.

Levi đã xác định dây mê tẩu khi bị kích thích sẽ phát sinh chất axetincolin có tácdụng kìm hãm còn dây giao cảm khi kích thích sẽ phát sinh chất adrenalin ở ếch còn

noradrenalin ở ngườ i có tác dụng thúc đẩy tăng nhị p đậ p của tim. Thí nghiệm của

Levi khẳng định khi kích thích, hưng phấn xuất hiện vớ i sự tham gia của chất môi

giớ i, đã truyền từ tim một sang tim hai. Cúc xinap, khi noron ở tr ạng thái t ĩ nh, có sự

tổng hợ p axetincolin từ axetat và colin. Lúc đầu axetat k ết hợ p vớ i coenzym A tạo

thành axetin KoA. Nhờ xúc tác của enzyme colinnaxetilase, xảy ra phản ứng giữa

axetin KoA vớ i colin tạo thành axetincolin và coenzymA (KoA). Axetincolin sau

khi tổng hợ p sẽ đượ c tích lũy lại trong các bóng xinap có đườ ng kính 0,02 - 0,03μ,

nằm r ải rác ở bào chất của cúc xinap. Khi dòng điện hưng phấn truyền đến cúc

xinap đã gây tác dụng kích thích làm cho các bóng xinap phóng thích axetincolin

vào khe hở xinap. Ở chuột, mỗi xung điện thế hoạt động khi truyền đến cúc xinap

noron - cơ đã kích thích bóng xinap giải phóng vài triệu phân tử axetincolin vào khe




213

hở xinap. Các phân tử axetincolin vượ t qua khe hở xinap mất khoảng 0,5ms.

Axetincolin làm thay đổi tính thấm của màng sau xinap vì màng sau xinap r ất nhạy

cảm tr ướ c tác động của axetincolin. Từ sự thay đổi tính thấm của màng sau xinap đã

dẫn đến sự mất phân cực và đảo cực, phát sinh điện thế hoạt động có độ lớ n giống

như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng tr ướ c xinap. Nếu là xinap noron -

noron thì xung điện thế hoạt động phát sinh ở màng sau xinap, tiế p tục đượ c truyền

đi theo sợ i tr ục của noron sau. Đồng thờ i màng sau xinap cũng giải phóng enzyme

axetincolinesterase để xúc tác cho phản ứng:

Axetincolin + H2O → axetat + colin

Một phân tử enzyme axetincolinesterase ơ 25oC, trong 1 giây có thể thủy

phân đượ c 300.000 phân tử axetincolin. Như vậy, mỗi phân tử enzyme chỉ cần

1/300.000 giây là phân hủy xong 1 phân tử axetincolin nên mớ i giải phóng toàn bộ chất axetincolin cũ ở khe xinap, tr ướ c khi có một xung điện thế hoạt động mớ i

truyền tớ i, lại có một đợ t axetincolin mớ i đi vào khe xinap. Ngưỡ ng gây kích thích

màng sau xinap của axetincolin chỉ cần ở nồng độ vô cùng nhỏ từ 10-16 đến 10-16M.

Các xinap giải phóng chất môi giớ i là axetincolin là các xinap kích thích vì kích

thích màng sau xinap làm phát sinh xung điện thế hoạt động mớ i giống như xung

điện thế hoạt động đã truyền đến màng tr ướ c xinap.

Trong cơ thế sống còn tồn tại các xinap ức chế giải phóng chất môi giớ i ứcchế vì làm ức chế màng sau xinap, không làm phát sinh xung điện thế hoạt động

mớ i ở màng sau xinap (tức không tạo ra sự hưng phấn ở màng sau xinap). Tr ườ ng

hợ p này xảy ra ở xinap noron - cơ tim của ếch đã đượ c Levi phát hiện khi kích thích

dây mê tẩu đã dẫn đến giải phóng chất ức chế là axetincolin có tác dụng ức chế nhị p

đậ p của tim làm cho tim đậ p chậm và yếu.

K ết quả nghiên cứu khẳng định, hiệu ứng hưng phấn hoặc ức chế ở màng sau

xinap không phải do chất môi giớ i quyết định mà do bản chất của các thụ quan ở

màng sau xinap quyết định. Do vậy, axetincolin kích thích ở xinap noron - cơ nhưng

lại ức chế ở xinap noron - cơ tim. Hiện nay các nhà khoa học đã xác định đượ c một

số chất môi giớ i và tác dụng của chúng (xem bảng).




214

Bảng 16.2.

Chất môi giớ i Tác dụng

Axetincolin

Adrenalin

Noradrenalin

Dopamin

Serotonin

Glixin

Enxephalin v.v...

Kích thích hoặc ức chế





ức chế

ức chế

16.3. TÁC DỤNG CỦA DÒNGĐIỆN LÊN CƠ THỂ VÀỨ NG DỤNG TRONGĐIỀU TR Ị

Chúng ta đã biết r ằng: cơ thể sinh vật là một môi tr ườ ng chứa đầy các dung dịchđiện ly, nói cách khác cơ thể sinh vật là một môi tr ườ ng chứa đầy các hạt mang điện.

Vì vậy dướ i tác dụng của một điện tr ườ ng, bên trong cơ thể sẽ xảy ra một loạt

các hiệu ứng và các quá trình biến đổi. Tính chất này đã đượ c ứng dụng trong nhiều

phươ ng pháp chẩn đoán và chữa tr ị r ất thông dụng, có k ết quả cao trong y học.

16.3.1. Các loại dòng điện dùng trong điều trị

Trong k ỹ thuật, ngườ i ta thườ ng phân thành dòng 1 chiều và dòng xoay chiều

trong đó dòng 1 chiều (hay nói chính xác là dòng không đổi) là dòng do các bộ nguồn như pin, ắc quy sinh ra. Dòng này có đăc điểm là có cườ ng độ dòng không

thay đổi theo thờ i gian, còn dòng xoay chiều là dòng điện mà cườ ng độ dòng điện

biến đổi theo thờ i gian. Sự biến đổi có thể theo quy luật điều hoà hình sin hoặc dướ i

dạng các xung điện vớ i các tần số khác nhau.

Có thể đưa ra một vài ví dụ:

- Dòng xoay chiều hình sin

- Xung r ăng cưa (xung Faradic)

- Xung vuông (Ganvanic)

Trong y học ngườ i ta thườ ng căn cứ vào tần số dao động của dòng điện để

phân chia thành:

16.3.1.1. Dòng h ạ t ần: Bao gồm dòng 1 chiều và các dòng xoay chiều có tần số

dướ i 1000 Hz.






216

Mục đích của phươ ng pháp này là sử dụng dòng điện 1 chiều để đưa các ion

thuốc cần thiết vào cơ thể (chẳng hạn phươ ng pháp điện châm, thuỷ châm, ...).

Lưu ý: Cần tránh tác dụng điện hoá của dòng điện một chiều bằng cách quấn

điện cực bằng bông có tẩm dung dịch dẫn điện (KCl)

* Ganvany liệu pháp:

Dòng 1 chiều truyền qua cơ thể sẽ gây ra những tác dụng sinh lý đặc hiệu

như: làm giảm ngưỡ ng kích thích của sợ i cơ vận động, giảm tính đáp ứng của thần

kinh cảm giác, do đó có tác dụng làm giảm đau, gây giãn mạch ở phần cơ thể giữa 2

điện cực, tăng cườ ng dinh dưỡ ng ở vùng có dòng điện chạy qua.

Đó chính là nguyên tắc của 1 phươ ng pháp điều tr ị sử dụng dòng điện 1

chiều: Ganvany liệu pháp.

16.3.2.2. Tác d ụng c ủa dòng đ i ện xoay chi ều

* Tác d ụng của dòng đ iện xoay chiề u hạ t ần và trung t ần:

Khác vớ i dòng điện 1 chiều, dòng điện xoay chiều hạ tần và trung tần có

cườ ng độ thay đổi khi tăng khi giảm nên có tác dụng làm co và giãn cơ do đó có tác

dụng tâp luyện cho cơ làm cơ lực đượ c tăng cườ ng.

Tác dụng này thể hiện rõ nhất ở dòng điện xoay chiều có tần số trong khoảng

40Hz - 180 Hz. Chính vì vậy dòng hạ tần thườ ng đượ c sử dụng để kích thích và

chống teo cơ . Ngoài ra khi cơ bị co giật thì sự lưu thông máu cũng đượ c tăngcườ ng, do đó dinh dưỡ ng cơ cũng đượ c phát huy.

Đối vớ i dòng trung tần có tần số từ 5000 Hz tr ở lên, tác động kích thích vận

động thể hiện rõ r ệt hơ n tác dụng kích thích cảm giác, nói khác đi là cơ bị co nhưng

không có cảm giác đau.

Các loại xung vuông có tần số thích hợ p trong vùng trung tâm còn đượ c sử

dụng để gây “choáng điện”, ngh ĩ a là gây một cơ n co giật nhân tạo (kích thích điện

xuyên qua sọ). Đây là phươ ng pháp điều tr ị r ất hiệu nghiệm đối vớ i một số bệnh

tâm thần có chu k ỳ. Những xung vuông có biên độ 160 V kéo dài 1-2/1000s có thể

kích thích tim từ ngoài lồng ngực. Chúng thườ ng đượ c dùng một cách có k ết quả tốt

trong tr ườ ng hợ p tim ngừng đậ p ở giai đoạn tâm tr ươ ng. Trong tr ườ ng hợ p đau tim kéo

dài, ngày nay bệnh nhân có thể mang theo trên ngườ i một máy đảm bảo nhị p tim




217

thườ ng xuyên, đó là máy Pace-Maker một loại máy phát xung điện kích thích có kích

thướ c nhỏ, chạy pin và các điện cực kích thích có thể bố trí ngay trên màng tim.

* Tác d ụng của dòng cao t ần:

Dòng cao tần tác dụng vào cơ thể không gây hiện tượ ng điện phân và không

kích thích cơ thần kinh.

Năng lượ ng của dòng cao tần đượ c biến thành nhiệt năng trong khu vực có

dòng điện đi qua. Tác dụng nhiệt của dòng cao tần làn tăng cườ ng lưu thông máu,

làm dịu cơ n đau, tăng cườ ng chuyển hoá vật chất, thư giãn thần kinh và cơ ,... Do đó

dòng cao tần thườ ng đượ c sử dụng để điều tr ị các bệnh viêm thần kinh, một số bệnh

ngoài da và đau ở các khớ p nông.

Ngoài ra hiệu ứng nhiệt của dòng cao tần còn đượ c dùng để cắt hoặc đốt

nhiệt, đó là phươ ng pháp dùng để tiêu diệt các tổ chức sống trong cơ thể mà khônggây chảy máu, không gây mủ và sẹo nhỏ tr ắng không dính.

16.3.3. Nhữ ng nguy hiểm do điện - đề phòng tai nạn do điện gây ra

Dòng điện cũng như nhiều yếu tố vật lý khác, nếu tác động vào cơ thể vớ i

một mức độ thích hợ p sẽ cho k ết quả dươ ng tính, phù hợ p vớ i mục đích và lợ i ích

của con ngườ i.

Tuy nhiên trong tr ườ ng hợ p tai biến bất ngờ , điện tác động lên cơ thể quá

ngưỡ ng cho phép thì điện tr ở thành mối nguy hiểm cho sức khoẻ và tính mạng củacon ngườ i theo các cơ chế sau:

- Cơ chế gây nguy hiểm thứ nhất là do tác dụng nhiệt của dòng điện: Khi

dòng điện chạy qua cơ thể → do hiệu ứng Jun → đoạn cơ thể có dòng điện chạy qua

sẽ tỏa một nhiệt lượ ng khá lớ n (Q = RI2t) → gây bỏng. Mức độ bỏng phụ thuộc vào

độ ẩm của da, cườ ng độ dòng điện (0,1 A/cm2 là ngưỡ ng gây bỏng) và thờ i gian.

- Cơ chế gây nguy hiểm thứ 2 là do tác dụng kích thích cơ và thần kinh: Đặc biệt

đối vớ i dòng điện xoay chiều tần số thấ p (trong đó có dòng điện sinh hoạt). Khi cườ ng

độ dòng điện đủ lớ n thì cơ và thần kinh bị kích thích mạnh và liên tục làm cho ý thức

ngườ i bị nạn không còn khả năng điều khiển đượ c. Vì thế, trong đa số tr ườ ng hợ p nếu

chạm tay vào dòng điện thì các cơ khép bao giờ cũng co mạnh hơ n các cơ duỗi vì vậy

ngườ i bị nạn thườ ng giữ chặt vào vật dẫn điện, không tự ý rút tay ra mặc dù lúc đầu não

vẫn nhận thức đượ c r ằng mình đang gặ p nạn.




218

Những tai nạn chết ngườ i vì điện giật đa số thườ ng xảy ra đột ngột. Ngườ i bị

nạn ngã xuống không k ị p kêu sau vài giây, chậm lắm là vài phút nạn nhân sẽ chết.

Có 2 nguyên nhân tử vong là:

- Do bị ngừng thở , xảy ra theo 2 cơ chế:

+ Các cơ hô hấ p bị co cứng.

+ Thần kinh hô hấ p bị kích thích tại một đoạn nào đó.

- Do tim ngừng đậ p đột ngột ở giai đoạn tâm tr ươ ng-trong tr ườ ng hợ p này

mổ tử thi không có sự xung huyết của các nội tạng và không phát hiện dấu vết cụ

thể nào để giải thích cơ chế của tai nạn.

* Đề phòng tai nạn do điện:

Nguyên tắc chính để đề phòng và giảm bớ t mức độ nguy hiểm của tai nạn do

điện là:- Giảm bớ t điện áp nhỏ nhất đến mức có thể.

- Tăng điện tr ở tiế p xúc: nguyên tắc đầu tiên là không đi chân đất khi vận

hành các thiết bị điện, tay chân giầy dép phải khô ráo, tốt nhất là các loại thiết bị

điện phải đượ c bọc bằng vỏ nhựa hoặc gỗ, các núm chỉnh công tắc tránh làm

bằng kim loại.

- Thực hiện nối đất tốt cho tất cả các máy thiết bị.

- Thực hiện các biện pháp cách ly những chỗ nguy hiểm bằng các vật cáchđiện hoặc bằng lướ i kim loại có nối đất.

- Tăng cườ ng giáo dục r ộng rãi ý thức đề phòng tai nạn về điện. Chú ý đặt các

bảng tín hiêu báo hiệu sự nguy hiểm tại các nơ i tr ọng yếu hoặc có khả năng gây tai nạn.




219

Chươ ng 17

QUANG SINH HỌC

17.1. CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ PHÁT SÁNG

17.1.1. Định luật hấp thụ ánh sángChiếu một chùm ánh sáng đơ n sắc, song

song tớ i đậ p vuông góc vào một lớ p môi

tr ườ ng giớ i hạn bở i hai mặt phẳng song song,

có bề dày l (Hình 17.1)

Gọi cườ ng độ chùm sáng chiếu tớ i mặt

tr ướ c là I0, phần ánh sáng bị phản xạ khi đi tớ i

mặt phân cách giữa hai môi tr ườ ng là If , phần ánh sáng bị tán xạ trong môi tr ườ ng Ix, phần ánh sáng bị các phân tử hấ p thụ là Ih, phần còn lại truyền qua khối môi tr ườ ng

là It. Theo định luật bảo toàn năng lượ ng, ta có:

I0 = If + Ix + Ih + It (17.1)

Giả sử mặt ngăn cách của môi tr ườ ng r ất nhẵn, phẳng và các tia sáng tớ i đậ p

vuông góc vớ i mặt nên xem như phần ánh sáng phản xạ If không đáng k ể.

Môi tr ườ ng trong suốt va đồng nhất thì ánh sáng bị tán xạ cũng có thể bỏ qua.

Như vậy chỉ còn:

I0 = Ih + It (17.2)

Để xác định tr ực tiế p phần năng lượ ng ánh sáng bị phân tử môi tr ườ ng hấ p

thụ thì r ất khó, tuy vậy có thể xác định Ih gián tiế p qua việc đo I0 và It. Định luật

Bugơ - Lambe - Bia (Bouguer - Lambert - Bear) cho ta mối liên quan giữa I0 và It.

Giả sử ta xét một lớ p môi tr ườ ng có bề dày dx, cách mặt tr ướ c của môi

tr ườ ng là x. Gọi i là cườ ng độ chùm sáng khi đi tớ i mặt dx, (i-di) là cườ ng độ chùm

sáng khi đi ra khỏi lớ p dx. Như vậy, khi đi qua lớ p đơ n xin, cườ ng độ chùm sáng đã

giảm đi một lượ ng là - di. Độ giảm -di của cườ ng độ chùm sáng tỷ lệ vớ i i và độ dày

dx, ta có:

- di ~ i, dx

Vậy: - di = k.i.dx (17.3)

Hình 17 .1




220

Trong đ ó k làm ột h ệ s ố t ỉ l ệ, g ọi làh ệ s ố h ấ p th ụ c ủa môi tr ườ ng, k ph ụ

thu ộc vào b ản ch ấ t, m ật độ môi tr ườ ng, vào b ướ c sóng ánh sáng.

Giải phươ ng trình vi phân (17.3):

It = I0.e-kl (17.4)

Biểu thức (4) chính là biểu thức toán học của định luật Bugơ - Lambe.

Khi chuyển từ cơ số tự nhiên (e) sang cơ số thậ p phân (10) thì biểu thức (4)

tr ở thành:

It = I0.10-k'l (17.5)

Trong đó k ' gọi là hệ số tắt, k' = 0.43k.

Nếu x

0

I 1=

I 10thì k ' =

1, vậy hệ số tắt có giá tr ị bằng nghịch đảo bề dày mà vớ i

nó cườ ng độ ánh sáng yếu đi 10 lần.Trong tr ườ ng hợ p môi tr ườ ng hấ p thụ ánh sáng là dung dịch loãng nồng độ

bằng C, ta thấy hệ số tắt k ' tỷ lệ thuận vớ i C.

k ' = C .ε (17.6)

ε là hệ số tắt của dung dịch. Hệ số ε không phụ thuộc vào nồng độ, chỉ phụ

thuộc vào bản chất của chất tan, vào bướ c sóng ( λ ) của ánh sáng chiếu vào dung dịch.

Phối hợ p các biểu thức (17.5) và (17.6) ta đượ c phươ ng trình biểu diễn định

luật cơ bản của sự hấ p thụ ánh sáng, định luật Bugơ - Lambe- Bia:

It = I0.10 l C ..ε − (17.7)

Định luật này chứng tỏ hệ số hấ p thụ của một chất tỷ lệ thuận vớ i khối lượ ng

lớ p môi tr ườ ng mà ánh sáng đi qua, tức là tỷ lệ thuận vớ i số phân tử chất hấ p thụ

trên một đơ n vị độ dài của đườ ng truyền sáng. Ý ngh ĩ a vật lý của định luật là khả

năng hấ p thụ ánh sáng của một phân tử nào đó không phụ thuộc vào sự có mặt cảu

các phân tử khác ở xung quanh nó. Rõ ràng điều này chỉ đúng vớ i các dung dịch

loãng. Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử giảm, tươ ng tác

giữa các phân tử không đáng k ể, ta thấy có nhiều sai khác so vớ i định luật Bugơ -

Lambe - Bia. Ngoài ra, trong nhiều tr ườ ng hợ pε không chỉ phụ thuộc vào chất tan

mà còn phụ thuộc vào dung môi. Điều này chứng tỏ sự tươ ng tác giữa các phân tử

chất tan và các phân tử dung môi cũng ảnh hưở ng đến sự hấ p thụ dung dịch.

Vậy điều kiện để áp dụng định luật hấ p thụ ánh sáng là:




221

- Chùm sáng phải đơ n sắc.

- Dung dịch đo phải loãng (nằm trong khoảng nồng độ thich hợ p).

- Dung dịch phải trong suốt (tr ừ chuẩn độ đo quang).

- Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dướ i tác dụng của ánh sáng UV-VIS.

* Một số đại lượ ng thông dụng

- Độ truy ền qua (T-Transmittance)

Độ truyền qua (hay còn gọi là độ thấu quang) đặc tr ưng cho độ trong suốt (về

mặt quang học) của dung dịch, đượ c định ngh ĩ a:

T= -ε.C.lt

0

I=10

I (17.8)

Thườ ng T tính ra phần tr ăm (%). Một chất cho T=1 (hay 100%), ngh ĩ a là

hoàn toàn không hấ p thụ ánh sáng, ngườ i ta nói chất đó trong suốt hoàn toàn.- Độ h ấ p th ụ

Độ hấ p thụ (hay còn gọi là mật độ quang D - Density, hoặc độ tắt E -

Extinction) đượ c định ngh ĩ a:

A(D,E) = lg l C T

..1

ε = (17.9)

Đối vớ i một chất xác định (có xác định), thườ ng đo trên một loại cốc đo (có

bề dày thông thườ ng l =1 cm) như vậy độ hấ p thụ tỷ lệ thuận vớ i nồng độ dung dịch:

A = K.C (K= .l) (17.10)

Đây chính là cơ sở lý thuyết của phươ ng pháp định lượ ng bằng quang phổ

hấ p thụ.

- H ệ s ố h ấ p th ụ ph ần tr ăm (E cm1%1 )

Theo công thức A =ε .C.l, nếu l = 1cm, C=1% thì

A = ε = E cm1%1 ( thườ ng viết tắt là E1

1)

Vậy E11 chính là độ hấ p thụ của dung dịch có nồng độ 1%, dùng cốc đo có bề

dày 1 cm. Vớ i một chất tan xác định, tại một λ xác định, E11 là một hằng số.

- H ệ s ố h ấ p th ụ phân t ử ( μ )

Hệ số hấ p thụ phân tử, hay còn gọi là hệ số tắt mol, là độ hấ p thụ của dung

dịch có nồng độ 1 M/l, dùng cốc đo có đọ dày 1cm.




222

Cũng như E11, vớ i một chất xác định, trong những điều kiện đo xác định ( λ ,

dung môi, nhiệt độ ....), μ ε là một hằng số.

Giữa E11 và μ ε có mối liên hệ:

11

μ

E

ε = .M10 (17.11)

Ở đây M là phân tử gam của chất tan.

17.2. Ứ NG DỤNG QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ

Đa số các chất trong suốt có hệ số hấ p thụ k (cũng có ngh ĩ a là độ hấ p thụ A)

thay đổi theo bướ c sóng ( λ ). Những chất đó gọi là các chất hấ p thụ lọc lựa. Đườ ng

cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấ p thụ (A) của một chất vào bướ c sóng ánh

sáng chiếu vào nó, gọi là phổ hấ p thụ của chất đó.

(k, ε , A, D) = f( λ ) (17.12)

Phổ hấ p thụ của mỗi chất đượ c đặc tr ưng bỏi hình dạng đườ ng cong hấ p thụ,

số lượ ng, vị trí và cườ ng độ của các cực đại.

Ngày nay phươ ng pháp quang phổ hấ p thụ phân tử (bao gồm phổ tử ngoại,

khả kiến, hồng ngoại - UV, VIS, IR) đã tr ở thành một phươ ng pháp phân tích thông

dụng trong các phòng thí nghiệm ở các cơ sở nghiên cứu, tr ườ ng học, tr ạm kiểm

nghiệm, xí nghiệ p sản xuất dượ c phẩm…Sở d ĩ như vậy vì phươ ng pháp này có

những ưu điểm chính sau:

1. Độ chính xác (precision), độ lặ p lại (reproducibility) của phươ ng pháp khá cao.2. Sai số tươ ng đối của phươ ng pháp (UV-VIS) nhỏ, thườ ng vào khoảng 0,5-1%.

3. Độ nhạy cao của phươ ng pháp giúp có thể phân tích đượ c các dung dịch

loãng cỡ 10-4 μ g/l (cỡ cài chục μ g/ml) r ất thích hợ p cho các phép phân tích vết

(phân tích độc chất)

4. Thờ i gian phân tích nhanh chóng, chỉ cần 5-10 phút có thể cho biết ngay

k ết quả.

5. K ỹ thuật thao tác đơ n giản, máy móc ngày càng hoàn thiện, gon nhẹ, trình

độ tự động hoá, tin học hoá cao.Dướ i đây chỉ giớ i thiệu một cách ngắn gọn một số l ĩ nh vực áp dụng của phổ

hấ p thụ phân tử trong ngành Dượ c.

17.2.1. Phân tích đị nh tính

Cơ sở lý luận của phươ ng pháp phân tích quang phổ hấ p thụ phân tử là sự

phụ thuộc giữa phổ của một chất vào cấu trúc hoá học của nó (cụ thể là cấu trúc của




223

lớ p vỏ phân tử, của các mối liên k ết, của các nhóm chức và của cấu hình không gian

của phân tử…).Vì thế, nếu có hai chất đượ c đo trong những điều kiện hoàn toàn như

nhau mà cho phổ (đặc biệt là phổ IR) hoàn toàn giống nhau thì có thể xem hai chất

đó có cấu trúc hoá học như nhau.

Để phân tích phổ, ngườ i ta dựa vào các chỉ tiêu:

- Bướ c sóng hấ p thụ cực đại: λ max (vớ i phổ IR thườ ng dùng đại lượ ng là số

sóng:1

ν λ

= (cm-1). Ví dụ, phổ của dung dịch vitamin B12 (cyanocobalamin) trong

nướ c có các λ max = 278; 361; 548 nm. Phổ của dung dịch vitamin B2 (riboflavn)

trong nướ c có λ max = 223; 267; 375 và 444 nm.

- Dựa vào tỷ số độ hấ p thụ tại các cực đại hoặc tại cực đại vớ i cực tiểu hấ p

thụ. Thí dụ, vớ i vitamin B12 ta có tỷ số A278/A361 = 0.57; A548/A361 = 0.30.

Trong thực tế thườ ng tiến hành so sánh phổ của chất khảo sát vớ i phổ của

chất chuẩn đượ c đo trong những điều kiện như nhau, hoặc so sánh vớ i phổ đã đượ c

công bố trong các tài liệu nghiên cứu (catalogue chuyên đề …). Hiện nay việc dùng

phổ hấ p thụ hồng ngoại để phân tích có nhiều ưu việt hơ n dùng phổ tử ngoại, khả

biến, vì phổ IR cho lượ ng thông tin nhiều hơ n (phổ IR của một chất thườ ng có vài

chục đỉnh hấ p thụ cực đại, trong khi phổ UV và VIS thườ ng chỉ có một và λ max).

Phân tích cấu trúc của một chất không thể thiếu đượ c phươ ng pháp phổ IR.

17.2.2. Phân tích đị nh l ượ ng

Định lượ ng là l ĩ nh vực ứng dụng chủ yếu của phươ ng pháp phổ UV và VIS.

Nhiều chuyên luận trong Dượ c điển đã dùng phươ ng pháp này để định lượ ng các

hoạt chất.

Cơ sở của phươ ng pháp là dựa vào công thức:

A = ε .C.l

Có nhiều k ỹ thuật định lượ ng bằng phổ UV và VIS:- Phươ ng pháp đo tr ực tiế p

- Phươ ng pháp so sánh.

- Phươ ng pháp đườ ng chuẩn.

- Phươ ng pháp thêm đườ ng chuẩn.

- Phươ ng pháp chuẩn độ đo quang.




224

- Phươ ng pháp quang phổ vi sai.

- Phươ ng pháp phổ đạo hàm.

Những phươ ng pháp này sẽ đượ c trình bày k ỹ trong các giáo trình khác(phân

tích dụng cụ hay các chuyên đề sau đại học…)

Đặc biệt việc phân tích từng thành phần trong một hỗn hợ p mà không phải tách

riêng từng thành phần ra là một ưu điểm của phươ ng pháp phân tích phổ UV và VIS.

17.2.3. Máy quang ph ổ

Ở đây chỉ giớ i thiệu nguyên tắc cấu tạo của các máy quang phổ UV và VIS.

Các máy này đều gồm 5 khối chức năng chính, theo sơ đồ khối như sau (Hình 2.2).

Hình 17.2. S ơ đồ khố i máy quang phổ UV và VIS

- Nguồn phát bức xạ: gồm có 2 loại đèn nguồn. Đèn dây tóc (tungsten) phát

ra ánh sáng vùng phổ kiến có λ > 320 nm. Đèn hydro (hay Deutri - D2) phát ra ánh

sáng tử ngoại có λ < 350 nm. Đèn Xenon phát ánh sáng có λ = 200-800nm.

- Hệ đơ n sắc (monochromator): Ánh sáng từ nguồn phát ra là ánh sáng đa sắc,

hoặc có độ đơ n sắc chưa cao. Để làm đơ n sắc ánh sáng, có nhiều cách khác nhau:

+ Dùng kính lọc cho ta chùm ánh sáng có độ đơ n sắc không cao, thườ ng chỉ

dùng trong các quang k ế thông thườ ng (photometre). Trong các máy quang phổ

(spectrophotometre) ngườ i ta dùng một trong 2 thiết bị sau.

+ Dùng lăng kính, dựa vào sự tán sắc ánh sáng để biến ánh sáng đa sắc thành

đơ n sắc. Nếu đo các vùng UV thì phải dùng lăng kính thạch anh.

+ Dùng cách tử (grating) xem phần cách tử nhiễu xạ.

- Quang k ế: Quang k ế thực chất là một hệ thống các thiết bị quang họcnhư khe sáng, các gươ ng, lăng kính, thấu kính... để làm các chức năng quang học

khác nhau.

- Ngăn đựng mẫu đo: Có loại một ngăn dùng cho máy quang phổ một chùm

tia, có loại hai ngăn dùng cho máy hai chùm tia. Cốc đo cũng có hai loại, loại bằng

Nguồnphát

bứ c xạ

Hệ tạo ánhsáng đơ n

sắc

Quangk ế

Ngănđự ng

mẫu đo

Bộ thu

bứ c




225

thuỷ tinh chỉ dùng để đo vùng khả biến, loại bằng thạch anh dùng cả UV và VIS. Bề

dày cốc cũng khác nhau tuỳ theo yêu cầu đo loại thông dụng có bề dày 1 cm

- Bộ thu bức xạ: Bộ phận này có chức năng chuyển các tín hiệu quang phổ

thành tín hiệu điện xử lý tín hiệu để hiển thị k ết quả đo trên đồng hồ, trên giấy vẽ

phổ hay trên bản in của máy vi tính.

Để biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện, ngườ i ta có thể dùng các loại tế

bào quang điện, ống nhân quang điện, quang điện tr ở . Một số máy hiện đại dùng

các mảng diot (diode array) làm bộ bức xạ (detetor).

Các máy quang phổ hiện nay thườ ng có gắn k ết nối vớ i máy vi tính để xử lý

tín hiệu đầu ra của máy quang phổ. Nhờ vậy công việc phân tích tr ở nên nhanh

chóng, thuận lợ i và chính xác hơ n nhiều.

17.2.3. Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng

Các phản ứng hóa sinh bao giờ cũng đi liền vớ i sự hấ p thụ và phát xạ nhiệt. Ta

có thể giải thích cơ chế hấ p thụ và phát sáng trên cơ sở phân tích sơ đồ năng lượ ng

của nguyên tử.

Dướ i tác dụng của lượ ng tử, hay tác dụng bức xạ nhiệt các điện tử của nguyên

tử hấ p thụ năng lượ ng ấy chuyển từ mức năng lượ ng cơ bản sang mức năng lượ ng

cao hơ n (mức năng lượ ng ở tr ạng thái kích thích). Quá trình đó có thể coi là quá

trình tích lũy năng lượ ng. Nhưng tr ạng thái này là trang thái không bền vững luôn

luôn có xu hướ ng tr ở về tr ạng thái ban đầu (cơ bản) bằng cách giải phóng một phần

năng lượ ng tích lũy ở dạng nhiệt (dạng không phát quang) hoặc năng lượ ng dướ i

dạng năng lượ ng lượ ng tử (dạng phát quang), hoặc có thể đượ c sử dụng trong các

phản ứng quang hóa.

T ậ p hợ p các đườ ng ngang d ướ i đ ây đượ c g ọi là một sơ đồ mứ c năng l ượ ng,

trong đó:

So: mức năng lượ ng ứng vớ i tr ạng thái cơ bản.

S0*,S1*,S2*,...: mức năng lượ ng ứng vớ i tr ạng thái kích thích Singlet

T: mức năng lượ ng ứng vớ i tr ạng thái kích thích Triplet




226

T

s0*

s1*

s2*

s0

3

4

5

5

Hình 17.3. S ơ đồ chuyể n mứ c năng l ượ ng của các đ iện t ử khi hấ p thụ và phát sáng

Tr ạng thái kích thích Singlet (S) là tr ạng thái của một lớ p điện tử khi mà tất cả

các spin của các điện tử đều tạo cặ p và mômen spin tổng cộng bằng 0.

Tr ạng thái kích thích Triplet (T) là tr ạng thái ứng vớ i mức năng lượ ng cấm

ở đó không phải mọi điện tử đều tạo cặ p, hình chiếu của tổng mômen spin trên

một phươ ng nào đó cho tr ướ c nhận giá tr ị +1,0,-1. Đặc điểm của tr ạng thái kích

thích Triplet là: điện tử không thể từ trang thái cơ bản S0 chuyển lên mà nó chỉ có thể chuyển từ tr ạng thái kích thích Singlet sang bằng một bướ c chuyển không

phát quang.

Có 2 dạng phát quang cơ bản: Huỳnh quang và lân quang

+ Hu ỳnh quang: Là sự bức xạ lượ ng tử ánh sáng do các điện tử chuyển từ

tr ạng thái kích thích Singlét xuống tr ạng thái cơ bản. Thờ i gian nguyên tử (phân tử)

tồn tại ở tr ạng thái kích thích Singlét xuống tr ạng thái cơ bản. Thờ i gian nguyên tử

(phân tử) tồn tại ở tr ạng thái kích thích Singlét vào khoảng 10

-9

- 10

-8

s vì thế huỳnhquang chỉ tồn tại trong khoảng thờ i gian chiếu sáng vật.

Theo định luật Stock, năng lượ ng photon của ánh sáng kích thích bao giờ cũng

lớ n hơ n năng lượ ng photon ánh sáng phát quang.

hνkt = hν pq + ΔE (17.13)




227

λ pq > λ kt, ΔE là năng lượ ng cho các quá trình không phải là quang học (nhiệt

học, hóa học). Sự phụ thuộc của cườ ng độ phát quang của một nguồn vào bướ c

sóng gọi là phổ phát quang của nguồn.

Trong phân tử có thể tồn tại nhiều mức năng lượ ng kích thích, vì thế điện tử

chuyển lên mức nào là phụ thuộc vào năng lượ ng của lượ ng tử bị hấ p thụ. Còn sự

phát quang bao giờ cũng bắt đầu ở phân mức năng lượ ng thấ p nhất. Chẳng hạn khi

kích thích phân tử bằng ánh sáng xanh da tr ờ i có năng lượ ng đáng k ể, hiệu quả của

sự phát quang sẽ giống như khi kích thích bằng lượ ng tử ánh sáng màu đỏ có năng

lượ ng thấ p hơ n màu của ánh sáng phát quang của một loại phân tử .... phụ thuộc vào

bướ c sóng của ánh sáng gây nên tr ạng thái kích thích phân tử.

- Lân quang: là bức xạ lượ ng tử ánh sáng do các phân tử phát ra khi chúng

chuyển từ tr ạng thái kích thích Triplet xuống tr ạng thái cơ bản. Quá trình của nó là:Từ tr ạng thái cơ bản → kích thích Singlet → kích thích Triplet → Tr ạng thái cơ bản.

Các phân tử sau khi hấ p thụ phải tr ải qua một thờ i gian nào đó r ồi mớ i xảy ra

hiện tượ ng lân quang, ngh ĩ a là khi tắt nguồn sáng thì lân quang vẫn còn có thể phát

sáng trong một thờ i gian đáng k ể.

Ngoài 2 dạng phát quang trên còn có hiện tượ ng phát quang hóa học và phát

quang sinh học.

Phát quang hóa học: xảy ra khi các phân tử tươ ng tác vớ i nhau có thể sinh ralượ ng tử năng lượ ng thuộc vùng ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại.

- Phát quang sinh học: thuộc loại phát quang hóa học trong đó bản chất của nó

là quá trình men.

17.2.4. Sự di chuyển năng lượ ng trong hệ sinh vật

Năng lượ ng lượ ng tử đượ c phân tử hấ p thụ có thể đượ c giải phóng dướ i dạng

phát xạ (phát lượ ng tử), cũng có thể đượ c truyền từ phân tử này sang phân tử khác,

hay từ hệ phân tử này sang phân tử khác vớ i khoảng cách khá xa.

Chẳng hạn trong hệ sinh vật có 2 loại phân tử A và B. Khi chiếu sáng vào

hệ sinh vật, thì phổ hấ p thụ của vật trùng vớ i phổ hấ p thụ của phân tử A, sau đó

hệ phát quang thì phổ phát quang lại trùng vớ i phổ phát quang của phân tử B.

Điều đó chứng tỏ phân tử A hấ p thụ năng lượ ng, truyền cho phân tử B, phân tử B

mớ i phát quang.




228

17.3. TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG

17.3.1. Đại cươ ng tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống

17.3.1.1. Các quá trình quang sinh

Đị nh ngh ĩ a: Khi một chùm photon đượ c chiếu vào một cơ thể sinh vật, bên

trong cơ thể sinh vật đó sẽ xảy ra một loạt các hiệu ứng và các quá trình, đượ c gọilà các quá trình quang sinh.

Khi nghiên cứu một quá trình quang sinh, ngườ i ta thườ ng xem xét theo 2

quan điểm sau:

• Quan đ iể m năng l ượ ng: theo quan điểm này, các qúa trình quang sinh

đượ c chia thành 4 giai đoạn chính k ế tiế p nhau như sau:

- Giai đoạn 1: Chùm phôton bị hấ p thụ bở i các sắc tố hoặc các chất khác

tạo nên tr ạng thái tr ạng thái kích thích, nghiã là xảy ra sự tích luỹ năng lượ ngtrong sinh hệ.

- Giai đoạn 2: Khử tr ạng thái kích thích của cơ thể. Giai đoạn này hoặc giải

phóng năng lượ ng kích thích bằng các quá trình quang lý (toả nhiệt hay phát quang).

Hoặc bằng các quá trình quang hoá dẫn tớ i các sản phẩm quang hoá đầu tiên.

- Giai đoạn 3: Những phản ứng tối trung gian vớ i sự tham gia của các sản

phẩm quang hoá không bền nói trên để tạo nên các sản phẩm quang hoá bền vững

(Gọi là các phản ứng tối vì khi đó không có sự tham gia tr ực tiế p của ánh sáng).

- Giai đoạn 4: Đó là giai đoạn xảy ra các hiệu ứng sinh vật, hay nói cách

khác là các diễn biến sinh lí và cấu trúc của sinh hệ.

• Quan đ iể m hiệu ứ ng hiệu ứ ng sinh vật : theo quan điểm này, các phản ứng

quang sinh đượ c chia thành hai nhóm lớ n như sau:

* Nhóm các ph ản ứ ng sinh lý ch ứ c n ăng:

Là các phản ứng xảy ra vớ i sự tham gia tr ực tiế p của ánh sáng mà k ết quả là

nó tạo ra các sản phẩm cần thiết cho tế bào hay có thể để thực hiện các chức năng

sinh lý bình thườ ng của chúng. Có thể chia thành 3 loại:- Phản ứng tạo năng lượ ng (ví dụ: quang hợ p).

- Phản ứng thông tin: các photon thông qua các sản phẩm quang hoá kích thích

các cơ quan khuếch đại đặc biệt, k ết quả là sinh hệ nhận đượ c thông tin cần thiết từ môi

tr ườ ng bên ngoài (Thị giác ở động vật, hướ ng quang và quang hình thái ở thực vật ...).

- Sinh tổng hợ p các phân tử hữu cơ (các chất diệ p lục, vitamin...).




229

* Nhóm các ph ản ứ ng phá hu ỷ bi ế n tính

Là chuỗi các phản ứng xảy ra dướ i tác dụng của ánh sáng mà k ết quả là:

gây bệnh lý, gây đột biến di truyền và gây tử vong.

17.3.1.2. Hi ệu su ấ t l ượ ng t ử

Khi chiếu ánh sáng tớ i cơ thể sống để gây nên hiệu ứng sinh vật thì đối tượ ng

phải hấ p thụ phôton.

Hiệu suât lượ ng tử ϕ = số phân tử bị kích thích/ số phân tử đã hấ p thụ ánh sáng.

Cho chúng ta biết hiệu suất sử dụng năng lượ ng của quá trình quang sinh

đượ c khảo sát.

17.3.1.3. Ph ổ tác d ụng

Đườ ng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu ứng sinh học do ánh sáng tớ i

gây nên theo bướ c sóng của ánh sáng gọi là phổ tác dụng.Chẳng hạn: dùng 10 ống nghiệm đựng vi khuẩn có mật độ, thể tích, thờ i gian

chiếu sáng bở i các bướ c sóng từ λ1 - λ10, sau đó xét tỉ lệ vi khuẩn bị khử độc tính là

con số đặc tr ưng cho hiệu ứng quang sinh → ta vẽ đượ c đồ thị biểu thị tỉ lệ vi khuẩn

bị khử hoạt tính phụ thuộc bướ c sóng.

17.3.2. Một số quá trình quang sinh và ứ ng dụng

17.3.2.1. Quang h ợ p

Quang hợ p là ví dụ điển hình về loại phản ứng tạo và tích lũy năng lượ ngtrong nhóm các phản ứng sinh lý chức năng.

- Đị nh ngh ĩ a: Quang hợ p là một hiệu ứng xảy ra ỏ cây xanh dướ i tác dụng

của ánh sáng, trong đó có sự khử cacbonic (CO2), tạo oxy (O2) và hyđrát cácbon

(CH2O) mà k ết quả là cây xanh tích tụ năng lượ ng từ ánh sáng bị hấ p thụ trong các

chất đượ c tạo thành.

Sơ đồ tổng quát của các phản ứng xảy ra ở hạt diệ p lục của cây xanh tóm tắt như

sau:

CO2+ 2H2O + nhv = CH2O + O2 + H2O (17.14)

Lư u ý:

- Quá trình quang hợ p là quá trình truyền điện tử. Phản ứng cơ bản nhất của

quang hợ p là sự di chuyển của nguyên tử H từ phân tử H2O → CO2 để tạo thành

CH2O. Sự di chuyển Hydro có thể xem là quá trình gồm 2 giai đoạn chính: là di




230

chuyển điện tử, sau đó là di chuyển proton (H+). Quá trình di chuyển điện tử thì

phải tốn năng lượ ng, còn giai đoạn di chuyển proton thì trong nội bào bao giờ cũng

chứa một lượ ng proton đáng k ể. Vì vậy chúng dễ dàng tham gia vào các trung tâm

phản ứng.

Tốc độ hấ p thụ CO2 từ môi tr ườ ng xung quanh (bằng tốc độ thải O2) phụ

thuộc vào cườ ng độ ánh sáng chiếu tớ i hay vào tốc độ hấ p thụ ánh sáng. Biết nhiệt

lượ ng tỏa ra khi đốt cháy đối vớ i phản ứng ngượ c có thể tính đượ c số photon tối

thiểu cần thiết để khử một phân tử CO2. Lượ ng năng lượ ng cần thiết để khử một

phân tử CO2 cho tớ i khi tạo thành hydrat cacbon vào khoảng 112kcal/mol hay 4,9

ev cho một phân tử.

- Chất diệ p lục (Chlorophyl) là sắc tố cơ bản tham gia quá trình quang hợ p,

chất này đượ c chứa trong các hạt lục lạ p (mỗi hạt chứa khoảng 100 phân tử diệ p lục).- Sự sắ p xế p tươ ng hỗ của các phân tử diệ p lục, protit, lipit trong các hạt lục

lạ p cũng có vai trò quan tr ọng trong quá trình quang hợ p.

- Về phươ ng diện năng lượ ng: quá trình quang hợ p làm tăng năng lượ ng tự do,

tức là làm giảm tươ ng đối entropi của hệ, sở d ĩ như vậy là vì sinh hệ là một hệ mở .

- Do tính chất dự tr ữ năng lượ ng, giải phóng O2 và khử CO2 nên quang hợ p

là một quá trình hết sức quan tr ọng đối vớ i sự sống.

17.3.2.2. Sinh t ổ ng h ợ p s ắc t ố vàvitamin- Một trong những phản ứng quang sinh lí chức năng có tầm quan tr ọng lớ n

trong sự tồn tại và phát triển của sự sống là các phản ứng quang tổng hợ p các sắc tố

và vitamin.

- Trong chuỗi tự nhiên của chuỗi các phản ứng sinh tổng hợ p dẫn đến sự tạo

thành trong tế bào các sắc tố và vitamin, có tồn tại các phản ứng quang hoá. Điều đó

cho phép khẳng định vai trò không thể thiếu của các lượ ng tử ánh sáng trong việc tổng

hợ p các chất nói trên.

Ví dụ: sinh tổng hợ p vitamin D. Dướ i tác dụng của các lượ ng tử ánh sáng bất k ỳ

một tiền chất nào trong số ergosterol, Lumisterol, Taxisterol, Preergocalcipherol đều

dẫn đến sự tạo thành vitamin D. Bản chất của phản ứng quang hoá chính là sự phá vỡ

liên k ết đồng hoá tr ị C-C trong vòng benzol giữa các nguyên tử cácbon 9 và10 ở

ergosterol và lumisterol dướ i tác dụng của ánh sáng tử ngoại.






232

phân tử ADN. Những thươ ng tổn có tính chất cấu trúc của các axit Nucleic dướ i tác

dụng quang động lực dẫn dến sự phá huỷ hoạt tính sinh học của chúng.

* Tác d ụng quang động l ự c lên c ơ th ể sinh v ật

- Quan sát tác dụng quang động lực lên các tế bào và các mô nuôi cấy, ngườ i

ta thấy: tác dụng quang động lực làm r ối loạn quá trình sống - tr ướ c hết là quá trình

quang hợ p. Một số súc vật như trâu, bò, ngựa... ăn phải thực vật có chứa chất hoạt

hoá sẽ bị xạm, loét da và r ụng lông.

- Nhiều chất hoạt hoá phản ứng quang động lực có khả năng gây ung thư.

Chiếu bức xạ nhìn thấy có cườ ng độ mạnh vào chuột sau khi tiêm chất hoạt hoá là

Pocpirin hay Eôzin ta thấy sau một thờ i gian chuột bị ung thư.

- Đối vớ i ngườ i già chất Pocpirin (xuất hiện trong quá trình hình thành huyết cầu)

không bị phân huỷ, lượ ng này đượ c tích luỹ dướ i da, do đó tỉ lệ ung thư da ở ngườ igià thườ ng cao hơ n ở các lứa tuổi khác.

* Tác d ụng quang động l ự c lên d ượ c ch ấ t

- Trong điều tr ị ngườ i ta thườ ng dùng nhiều loại thuốc, trong đó có chứa

thành phần các chất hoạt hoá. Các loại sunphonamite là một ví dụ điển hình, một

trong những tác dụng phụ của loại thuốc này là làm tăng lươ ng porpirin trong máu.

Khi chiếu ánh sáng vào da thì có thể gây ra các r ối loạn thần kinh.

- Tác dụng quang động lực cũng còn thấy ở một số các loại Bucbiturat, là cácdượ c chất thườ ng dùng điều chế thuốc ngủ (Several, Luminal,...). Khi sử dụng thuốc

này ngườ i bệnh phải kiêng ra nắng, vì dướ i tác dụng của ánh sáng mặt tr ờ i các chất

porpirin sẽ gây nên các r ối loạn về men, các triệu chứng như bị nhiễm độc chì, các

r ối loạn da, thần kinh ...

17.4. MẮT VÀ DỤNG CỤ BỔ TR Ợ

17.4.1. Quang hình học của mắt

17.4.1.1. S ơ l ượ c v ề c ấ u t ạo c ủa m ắt

Mắt còn gọi là nhãn cầu, có dạng hình cầu, đườ ng kính đo theo tr ục tr ướ c sau

khoảng 22mm. Mặt ngoài của mắt có sáu bó cơ vận động bám vào để giúp cho mắt

có thể quay đượ c nhiều phía khác nhau và định hướ ng khi nhìn. Vỏ của con mắt

đượ c cấu tạo bở i các lớ p màng đàn hồi, bao gồm ba loại, tính từ ngoài vào trong

(Hình 6.20) là:




233

- Củng mạc là màng ngoài cùng, bao kín 3/4 phía sau con mắt. Là lớ p xơ dày,

dai, tr ắng như sứ, ánh sáng không lọt qua đượ c.

- Ở 1/4 phía tr ướ c là lớ p mô trong suốt, ánh sáng xuyên qua đượ c gọi là giác

mạc. Giác mạc có bán

kính cong nhỏ hơ n bán

kính cong của củng mạc.

- Mạch mạc còn gọi

là màng mạch, nằm trong

củng mạc. Màng mạch chứa

nhiều mạch máu để nuôi

dưỡ ng mắt và có nhiều sắc

tố đen giữ cho bên trongnhãn cầu như một buồng tối.

Ngay phía sau giác mạc,

màng mạch có một phần r ủ xuống tạo thành màng chắn có màu đen hoặc nâu, màng

chắn có một lỗ hở hình tròn có đườ ng kính thay đổi đượ c, lỗ hở này gọi là đồng tử. ánh

sáng sau khi xuyên qua giác mạc sẽ đi qua đồng tử vào phía trong.

Do đồng tử tự thay đổi đượ c bán kính nên có khả năng tự điều chỉnh thông

lượ ng của ánh sáng tác dụng vào võng mạc. Vớ i ánh sáng có độ r ọi lớ n tác dụngvào mắt thì đồng tử tự động co lại để làm giảm lượ ng ánh sáng tác dụng vào mắt,

vớ i ánh sáng có độ r ọi nhỏ thì đồng tử tự giãn r ộng ra, do đó thông lượ ng ánh sáng

vào mắt sẽ tăng lên.

Võng mạc là lớ p màng trong cùng, đượ c cấu tạo bở i nhiều lớ p tế bào nhưng

quan tr ọng nhất là lớ p tế bào thần kinh thị giác. Các tế bào này tậ p trung thành các sợ i

thần kinh nhỏ nối liền vớ i dây thần kinh thị giác. Có hai loại tế bào thần kinh cảm thụ

đượ c ánh sáng, đó là tế bào nón và tế bào que. ở mắt ngườ i có chừng 7 triệu tế bào

nón và 130 triệu tế bào que. Sự phân bố của hai tế bào thần kinh này trên võng mạc là

khác nhau, tế bào nón tậ p trung vào vùng gần điểm vàng (phần võng mạc nằm gần

giao điểm giữa tr ục chính của mắt vớ i võng mạc). ở điểm vàng võng mạc mỏng hơ n

ở chỗ khác do đó bị lõm xuống tạo nên hố trung tâm, ở đây mật độ tế bào nón r ất cao

(khoảng 150.000 tế bào /mm2). Khi nhìn vật thì ảnh của vật sẽ hiện lên ở hố trung

Hình 17 .4

Thuû tinh thÓ

C¬ Cñng m¹c

Mèng m¾t

Vâng m¹c

C¬

Gi¸c m¹c

Thuû dÞch

Thuû tinh dÞch

§iÓm vµng

ThÇn kinhthÞ gi¸c

Mµng m¹ch






235

- Lưỡ ng chất cầu thuỷ tinh thể tr ướ c do mặt cong tr ướ c thuỷ tinh thể ngăn

cách thuỷ dịch vớ i thuỷ tinh thể. Bán kính cong mặt tr ướ c thuỷ tinh thể khoảng

10mm, chiết suất trung bình 1,388 và độ tụ của hệ là 7 điôp.

- Lưỡ ng chất cầu thuỷ tinh thể sau do mặt cong phía sau thuỷ tinh thể ngăn

cách thuỷ tinh thể vớ i dịch thuỷ tinh. Bán kính cong mặt sau thuỷ tinh thể khoảng

8mm, chiết suất dịch thuỷ tinh là 1,36 và độ tụ của quang hệ khoảng 12 điôp.

Ba lưỡ ng chất cầu trên có cùng tr ục chính và hợ p lại thành một hệ quang

học. Hệ này coi như đượ c ghép bở i ba hệ quang học có chiết suất khác nhau. ánh

sáng xuyên vào mắt, nó sẽ bị khúc xạ khi truyền qua ba lưỡ ng chất cầu và cuối cùng

sẽ tác dụng lên các tế bào thần kinh ở võng mạc. Như vậy hệ quang học của mắt sẽ

có một tâm điểm duy nhất. Do đặc điểm này mà chúng ta có thể thay thế ba hệ

quang học gồm ba lưỡ ng chất cầu bằng một lưỡ ng chất cầu tổng hợ p còn gọi là conmắt ướ c lượ c (Hình 17.5).

Lưỡ ng chất cầu tổng hợ p có mặt cầu ngăn cách môi tr ườ ng không khí vớ i

môi tr ườ ng bên trong mắt. Mặt cầu khúc xạ có mặt lồi quay ra phía tr ướ c, bán kính

cong 5mm, đỉnh cách giác mạc 2mm, quang tâm cách giác mạc 7mm và cách võng

mạc 15mm, chiết suất của quang hệ là 1,333.

Do hệ quang học này có môi tr ườ ng thứ nhất là không khí, môi tr ườ ng thứ

hai là môi tr ườ ng bên trong mắt có chiết suất xác định là n nên tiêu cự của lưỡ ngchất cầu tổng hợ p đượ c tính theo công thức sau:

mmn

nR f 20

1333,1

5333,1

1 =

−×

=−

= (17.15)

Trong đó f là tiêu cự, R là bán kính cong của mặt cầu tổng hợ p, n là chiết

suất môi tr ườ ng, chiết suất của không khí bằng 1.

Từ các thông số quang hình của lưỡ ng chất cầu tổng hợ p và độ lớ n tiêu cự ta

thấy võng mạc của mắt nằm trên mặt phẳng tiêu của lưỡ ng chất cầu tổng hợ p.

Đườ ng thẳng đi qua đỉnh mặt cầu và quang tâm gọi là tr ục chính, đườ ng thẳng đi

qua quang tâm và điểm vàng gọi là đườ ng nhìn thẳng. Khi nhìn một vật thì mắt

hướ ng đườ ng nhìn thẳng đi qua vật ấy. Nếu đườ ng nhìn thẳng hướ ng vào điểm cố

định ở phía tr ướ c thì khoảng không gian mà một mắt nhìn thấy là một hình nón có

góc mở ngang 1700, góc mở đứng 1300. Khoảng không gian này gọi là thị tr ườ ng.




236

Thực tế thị tr ườ ng r ộng hơ n nhiều do mắt có thể xoay trong hốc mắt làm cho đườ ng

nhìn thẳng thay đổi. Mặt khác do luôn nhìn bằng hai mắt phối hợ p vớ i động tác

quay đầu nên thị tr ườ ng đượ c mở r ộng hơ n. Việc vẽ ảnh của vật qua 3 hệ lưỡ ng chất

cầu tổng hợ p sẽ tr ở nên đơ n giản hơ n nhiều.

17.4.1.3. Kh ả n ăng đ i ều ti ế t c ủa m ắt

Mắt bình thườ ng, khi nghỉ, có tiêu điểm ở đúng trên võng mạc. Khi mắt nhìn

một vật AB ở vô cực, thì ảnh A’B’ của AB cũng ở đúng trên võng mạc.

Cho vật AB tiến dần lại gần mắt, nếu quang hệ của mắt không thay đổi gì, thì

ảnh của vật sẽ lùi dần ra sau võng mạc, và mắt không trông rõ vật nữa. Để nhìn rõ

vật, tức là ảnh vẫn hiện đúng trên võng mạc, mắt phải tăng độ tụ của quang hệ: các

cơ giữ thuỷ tinh thể bóp lại và nén cho thuỷ tinh thể phồng thêm lên. Độ tụ của

quang hệ tăng, tiêu điểm ảnh F’ tiến ra tr ướ c võng mạc một chút, và ảnh A’B’ về đúng trên võng mạc. Hoạt động này của mắt gọi là sự điều tiết. Thông thườ ng, mắt

điều tiết một cách tự động, khá nhanh và mắt có xu hướ ng tự nhiên là điều tiết vào

chỗ sáng nhất trên vật. Tuy nhiên, nếu cố gắng cũng có thể chủ động bắt mắt mình

điều tiết vào một điểm tuỳ ý. Nhờ khả năng điều tiết, mắt mớ i nhìn rõ cả những vật

ở xa, lẫn vật ở gần. Tuy nhiên khả năng này không phải là vô hạn.

Giả sử ta cho vật AB chuyển dịch từ vô cực lại gần mắt. Khi vật ở vô cực,

mắt không phải điều tiết, ảnh của vật vẫn ở đúng trên võng mạc, nhưng r ất nhỏ. Vậttiến lại gần, mắt phải điều tiết để giữ cho ảnh vẫn ở đúng trên võng mạc. Vật tiế p

tục lại gần hơ n, thì mắt lại điều tiết thêm. Cuối cùng, khi vật tớ i điểm CC, cách mắt

chừng 20 cm, thuỷ tinh thể đã phồng lên mức tối đa, mắt không thể điều tiết thêm

nữa. Nếu vật tiến lại gần mắt hơ n, thì mắt không nhìn rõ nữa. OCC = C là khoảng

ngắn nhất phải đặt vật cách mắt, để nhìn rõ nó, gọi là khoảng nhìn rõ ngắn nhất.

Điểm CC gọi là cận điểm của mắt.

Điểm xa nhất CV, mà mắt nhìn rõ một vật đặt ở đó, không phải điều tiết gọilà viễn điểm, và khoảng cách OCV = V gọi là khoảng nhìn rõ lớ n nhất. Mắt bình

thườ ng có viễn điểm CV ở vô cực và V = ∞. Khoảng cách từ CV đến CC, giữa viễn

điểm và cận điểm gọi là khoảng nhìn rõ của mắt, vì có thể đặt vật ở bất k ỳ điểm nào

ở trong khoảng ấy, mắt cũng nhìn thấy rõ vật.




237

Hiệu số RC V

=−

11 (17.17)

Gọi là biên độ điều tiết của mắt. Nếu V và C đượ c đo bằng mét, thì R

đượ c tính ra đi-ôp.

Đối vớ i con mắt bình thườ ng, thì V = ∞, C chừng 20 cm, ta có:

=−∞

=20

11

, R 5 đi-ôp

Mắt của những ngườ i cùng một lứa tuổi, sức khoẻ bình thườ ng có biên độ

điều tiết xấ p xỉ bằng nhau, không phân biệt mắt cận thị hoặc viễn thị.

17.4.2. Khả năng phân ly của mắt

Giả sử có một điểm sáng A phía tr ướ c mắt ở khoảng cách nhìn rõ, qua mắt ta

sẽ thu đượ c hình ảnh A’ của A trên võng mạc. Do đồng tử của mắt có bán kính khá

bé nên A’ sẽ là một ảnh nhiễu xạ và bán kính ρ của vân sáng trung tâm cũng đượ c

xác định theo công thức (6.49). Do ánh sáng vào mắt là ánh sáng hỗn hợ p có bướ c

sóng từ 0,40 - 0,76μm nên thườ ng cho bướ c sóng một giá tr ị trung bình λ = 0,50

μm, tiêu cự của mắt f = 20 mm, đồng tử có bán kính 2,5mm, áp dụng công thức

6.49, ta có:

, . ., , m

, . ρ μ

−

−

= =3

3

0 5 20 100 61 2 44

2 5 10 (17.17)

Giả sử khi ta quan sát một vật sáng có kích thướ c AB ở khoảng nhìn rõ của

mắt thì trên võng mạc sẽ có ảnh A’B’ của AB (Hình 6.23) ngượ c chiều và nhỏ hơ n

AB nhiều lần. Do có sự tham gia của ý thức mà ta vẫn đánh giá đúng kích thướ c và

vị trí của vật

Góc AOB = α gọi là góc phân ly của mắt, kích thướ c của A’B’ cũng như độ

lớ n của α phụ thuộc vào kích thướ c của AB và khoảng cách OH từ quang tâm đến

vật AB.- Vớ i OH xác định, kích thướ c AB nhỏ thì góc α nhỏ dẫn đến A’B’ cũng nhỏ.




238

- AB có kích thướ c xác định, khi AB càng xa mắt thì α càng bé do vậy kích

thướ c của A’B’ sẽ càng nhỏ đi. Hai ảnh A’, B’ của A, B sẽ tiến đến gần nhau và đến

một lúc nào đó A’ sẽ trùng lên B’, lúc đó mắt sẽ không phân biệt đượ c khoảng cách

giữa A và B nữa. Muốn phân ly đượ c hai điểm A, B thì góc nhìn α phải lớ n hơ n

hoặc bằng một góc nhìn giớ i hạn nào đó gọi là góc phân ly tối thiểu αmin, αmin càng

nhỏ thì khả năng phân ly của mắt càng tốt. Nghịch đảo của αmin đặc tr ưng cho khă

năng phân ly của mắt đượ c gọi là thị lực T của mắt:min

T(phót)α

=1

(17.18)

Bảng 17.1. Thị lực của mắt phụ thuộc vào αmin (phút)

αmin 0.1’ 0.2’ 0.5’ 1’ 2’ 5’ 10’

T100

10

50

10

20

10

10

10

5

10

2

10

1

10

Vì αmin bé nên ta có thể các định αmin theo độ dài của AB = d và khoảng

cách OH =

min

d radianα ≈

(17.19)

1 radian = 3394,28 phút nên αmin =3394,28.

d

phút

Vậy thị lực T đượ c xác định như sau:

=1

3394 28

l T .

, d (17.20)

Từ công thức 17.20 ta cũng có hai phươ ng pháp đánh giá thị lực của mắt:

A

B

H O

B'

A'

F

Võng mạc

α A

B

HB'

A'αmin

αmin /2d/2

Hình 17 .6

O




239

- Cố định d, thay đổi .

- Cố định , thay đổi d.

Phươ ng pháp thứ nhất cho phép đánh giá chính xác thị lực của mắt k ể cả

tr ườ ng hợ p mắt có sự thay đổi nhỏ về thị lực, tuy nhiên phươ ng pháp này không

thuận lợ i và nhanh chóng bằng phươ ng pháp thứ hai. Khi không cần độ chính xác

cao sẽ dùng phươ ng pháp thứ hai để đánh giá thị lực của mắt, bằng cách dùng chữ

cái hay bảng mẫu vật có kích thướ c nhỏ dần khi đặt chúng cách mắt một khoảng

không đổi OH = l - 5 m.

Khả năng phân ly của mắt phụ thuộc vào tr ạng thái sinh lý, bệnh lý, tính

chất của các tế bào thần kinh cảm thụ ánh sáng của mắt, vào độ r ọi và bướ c sóng

của ánh sáng. Nếu chúng ta chỉ quan tâm đến yếu tố nhiễu xạ của ánh sáng khi ánh

sáng xuyên qua đồng tử thì theo Rayleigh ở điều kiện chiếu sáng vớ i λ = 0.5 μm,

mắt còn phân biệt đượ c khoảng cách giữa A và B khi khoảng cách ảnh A’B’ lớ n

hơ n hoặc bằng bán kính mỗi ảnh tức A’B’ ≥ ρ, ta có:

60

3310.6,1

10.15

44,2 43'min ==== − radian

OH

ρ α phút

60

33min =α phút ứng vớ i thị lực T =

10

18

K ết quả của nhiều phép đo cho thấy một

mắt bình thườ ng ở điều kiện chiếu sáng bướ c

sóng trung bình thì góc phân ly tối thiểu αmin = 1

phút. Khi cho ánh sáng có độ r ọi nhỏ, lớ n chiếu

vào mắt và kiểm tra thị lực ở nhiều vùng khác nhau trên võng mạc ngườ i ta thấy

r ằng tế bào nón có khả năng phân ly tốt hơ n tế bào que.

17.4.3. Các tật quang hình của mắt và dụng cụ bổ trợ

17.4.3.1. Hiện t ượ ng quang sai

Nhượ c điểm cơ bản của loại thấu kính cầu mỏng là sự sai sót về quang hình

khi chùm tia song song đi qua thấu kính là chùm tia r ộng, các tia gần tr ục chính sẽ

hội tụ ở điểm xa quang tâm hơ n các tia ở gần mép thấu kính. Hiện tượ ng này gọi là

cầu sai (hình 17.8).

ρ

αmi

n

Hình 17 .7




240

Vì ánh sáng tr ắng là ánh sáng hỗn hợ p bao gồm các bướ c sóng từ 0,39 ÷0,76

μm, mặt khác n = f(λ), do đó khi qua thấu kính các tia sáng có bướ c sóng khác nhau

sẽ hội tụ hoặc phân k ỳ ở các điểm khác nhau trên tr ục chính của thấu kính do tán

sắc ánh sáng. Hiện tượ ng này gọi là sắc sai (hình 17.9).

Để khử bỏ các sai sót về quang hình học này ngườ i ta thườ ng sử dụng

phươ ng pháp ghép các thấu kính phân k ỳ, hội tụ cùng một tr ục chính. Sau khi ghép

thích hợ p thì tất các tia sẽ hội tụ tại một điểm do đó ảnh sẽ phản ánh đúng tính chất

của vật. Muốn khử bỏ sắc sai phải ghép các loại thấu kính khác nhau về bản chất.

Hình 17.8.Hiện t ượ ng cầu sai Hình 17.9. Hiện t ượ ng sắ c sai

17.4.3.2. Các t ật quang hình c ủa m ắt vàd ụng c ụ b ổ tr ợ

Vớ i con mắt bình thườ ng (không có tật) thì ảnh của vật luôn luôn hiện đúng

trên võng mạc ở vùng điểm vàng, ảnh rõ nét và phản ánh đúng bản chất của vật về

cả kích thướ c, màu sắc, tính chất. Tuy nhiên cấu tạo của mắt có thể không bình

thườ ng do bẩm sinh, do bị chấn thươ ng làm xuất hiện các vết sẹo trên giác mạc, do

bệnh của lưỡ ng chất cầu, do r ối loạn khả năng điều tiết... làm cho ảnh không hiện rõ

trên võng mạc tạo nên các chứng cận thị, viễn thị, loạn thị. Để sửa các tật này phải

dùng các dụng cụ bổ tr ợ cho mắt, đó là các thấu kính cầu mỏng bổ tr ợ cho mắt bị

cận thị, viễn thị và thấu kính tr ụ cho tr ườ ng hợ p mắt bị tật loạn thị.

* C ận thị và cách sử a

Mắt cận thị ở tr ạng thái nghỉ (không điều tiết) có mặt phẳng tiêu nằm tr ướ c

võng mạc do đó khi nhìn vật ở vô cực ảnh của vật ở tr ướ c võng mạc (Hình 17.10a)Viễn cận điểm của mắt gần hơ n so vớ i mắt bình thườ ng. Trong khoảng từ

viễn điểm đến cận điểm, mắt cận cũng điều tiết như mắt bình thườ ng và khi vật ở

sau cận điểm mắt cận không còn khả năng điều tiết. Để sửa tật cận thị phải dùng

thấu kính mỏng phân k ỳ làm dụng cụ bổ tr ợ .

Ft Fd

O

L1

O P"P'

L1




241

Khi đó ánh sáng qua hệ quang học gồm thấu phân k ỳ ghép đồng tr ục vớ i mắt

sẽ tác dụng lên võng mạc và ảnh của nó sẽ hiện đúng trên võng mạc (hình 17.10b).

Tác dụng của thấu kính phân k ỳ làm giảm độ tụ của mắt cận.

* Viễ n thị và cách sử a

Ở tr ạng thái nghỉ mắt viễn thị có mặt phẳng tiêu nằm sau võng mạc nên khi

nhìn vật mà không điều tiết thì ảnh của vật sẽ hiện ở sau võng mạc. Nếu tiêu điểmkhông ở xa võng mạc quá thì mắt tự điều tiết để làm tăng độ tụ sao cho ảnh của vật

hiện rõ nét trên võng mạc. Tr ườ ng hợ p mắt viễn nặng (tiêu điểm ở xa võng mạc

quá) thì có điều tiết cũng không nhìn thấy vật ở xa. Khi đưa vật lại gần thì ảnh càng

lùi xa võng mạc. Như vậy viễn thị sẽ không thấy vật ở xa cũng như gần. Trong

tr ườ ng hợ p các tia sáng có phươ ng thích hợ p vẫn hội tụ trên võng mạc lúc đó đườ ng

kéo dài của tia gặ p tr ục chính ở điểm sau võng mạc, điểm này gọi là viễn điểm ảo.

Muốn sửa tật viễn thị phải dùng thấu kính mỏng hội tụ bổ tr ợ , thấu kính nàysẽ làm tăng độ tụ của mắt làm cho ảnh của vật hiện lên trên võng mạc. Thấu kính

sửa phải có độ tụ thích hợ p để cho mặt phẳng tiêu của hệ trùng vớ i võng mạc (Hình

17.11b).

Cận, viễn thị có thể do nhiều nguyên nhân gây nên nhưng về cơ bản chúng ta

thấy nếu tr ục của mắt dài, ngắn hơ n mắt bình thườ ng, bán kính cong của lưỡ ng chất

Vâng

m¹c

¶nh0

Vâng

m¹c

Hình 17 .10a. M ắ t cận thị Hình 17 .10b. T ật cận thị đ ã đượ c sử a

Hình 17 .11a. M ắ t viễ n thị Hình 17 .11b. T ật viễ n thị đ ã đượ c sử a

Vângm¹c Vâng

m¹c




242

cầu lớ n nhỏ hơ n so vớ i mắt bình thườ ng và sự thay đổi chiết suất của môi tr ườ ng và

mắt có thể mắc các chứng cận thị hoặc viễn thị.

Khi bệnh đục thuỷ tinh thể mớ i phát sinh, môi tr ườ ng tạo nên thuỷ tinh thể

đặc lại, tỉ tr ọng, chiết suất tăng làm tăng độ tụ dẫn đến mắt bị cận. Sau khi cắt bỏ

thuỷ tinh thể, độ tụ sẽ giảm đi nhiều dẫn đến mắt bị viễn r ất nặng.

* M ắ t ng ườ i già

Khả năng điều tiết của mắt ngườ i già kém hơ n mắt bình thườ ng, mắt ngườ i

già có cận điểm xa hơ n và không nhìn rõ vật ở gần. ở tuổi 45 đến 50 khi đọc sách

phải để cách xa mắt từ 30 đến 50 cm mớ i nhìn rõ nhưng có nhượ c điểm là ảnh sẽ

nhỏ đi. Để khắc phục mắt ngườ i già phải đeo thêm một thấu kính cầu hội tụ, độ tụ

tổng cộng không quá 3,5 điôp, vớ i tuổi 45 cần đeo thêm thấu kính có độ tụ +1 điôp

là vừa. Cứ già thêm 5 tuổi thì độ tụ của thấu kính bổ tr ợ tăng thêm +0,5 điôp vớ ituổi quá già (60 tuổi tr ở lên) thuỷ tinh thể có bán kính cong lớ n do đó khi không

điều tiết mặt phẳng tiêu ở sau võng mạc giống mắt viễn do đó không nhìn đượ c vật

ở xa, muốn nhìn thấy vật phải đeo thêm một thấu kính hội tụ có độ tụ nhỏ. Tóm lại

mắt ngườ i già phải dùng hai thấu kính mỏng hội tụ bổ tr ợ , một thấu kính có độ tụ

lớ n để nhìn gần và một thấu kính có độ tụ nhỏ hơ n để nhìn xa. Thườ ng độ tụ của

thấu kính nhìn gần gấ p 3 lần độ tụ của thấu kính nhìn xa, hai loại thấu kính có độ tụ

khác nhau đượ c ghép trên cùng một giá (khung kính).Vớ i mắt cận, khi về già bán kính cong của lưỡ ng chất cầu tăng lên, làm giảm

độ tụ do vậy cận nhẹ đi và ở tuổi 45 đến 50 có thể không phải dùng kính nữa. Ngượ c lại

mắt viễn càng già càng nặng hơ n và mắt viễn già nhanh hơ n mắt bình thườ ng.

* Lo ạn th ị

Loạn thị là tật của mắt trong đó độ tụ không

đều theo mọi phươ ng do các mặt cầu khúc xạ trong

mắt không phải hoàn toàn hình cầu, do vậy ảnh của

vật hiện trên võng mạc là ảnh nhoè.

- Tr ườ ng hợ p độ cong của các mặt cầu khúc

xạ thay đổi bất k ỳ theo mọi phươ ng thì mắt mắc

chứng bệnh loạn thị không đều. Tr ườ ng hợ p này là

do giác mạc có sẹo, do hậu quả của đau mắt hột hay

d

b

c

a

o

H×nh 6.28 Hình 17 .12




243

bị chấn thươ ng do dị vật bắn vào. Muốn sửa chỉ cần dùng chất dẻo trong suốt có

chiết suất như của thuỷ tinh thể dán vào giác mạc.

− Tr ườ ng hợ p độ cong của các mặt cầu khúc xạ thay đổi đều theo mọi

phươ ng thì mắt mắc chứng bệnh loạn thị đều. Lúc này mặt cong của lưỡ ng chất cầu

tổng hợ p không phải là chỏm cầu mà là một phần của mặt elipsoid tròn xoay (Hình

17.12). Bán kính cong thay đổi đều từ kinh tuyến AOB đến kinh tuyến COD.

Loạn thị đều lại đượ c chia làm hai loại:

+ Loạn thị đều theo quy tắc:

Loạn thị đều theo quy tắc chiếm 85% tổng số tr ườ ng hợ p loạn thị. ở tật này

kinh tuyến ngang AOB có bán kính cong nhỏ hơ n bán kính cong của kinh tuyến

đứng COD. Do vậy độ tụ theo phươ ng ngang lớ n hơ n độ tụ theo phươ ng đứng. Mắt loạn

thị theo quy tắc tươ ng đươ ng vớ i hệ quang học gồm một lưỡ ng chất cầu ghép vớ i một

thấu kính tr ụ hội tụ có tr ục nằm ngang hoặc tươ ng đươ ng vớ i hệ quang học gồm lưỡ ng

chất cầu ghép vớ i thấu kính tr ụ phân k ỳ có tr ục thẳng đứng (Hình 17.13).

Một chùm tia sáng song song sau khi qua mắt sẽ hội tụ trên hai đoạn thẳng,

đoạn nằm ngang ở phía tr ướ c đoạn thẳng đứng. Tuỳ theo vị trí của võng mạc mà

mắt có thể nhìn rõ một trong hai đoạn thẳng đó hoặc không nhìn rõ cả hai. Khi võng

mạc ở vị trí 1 mắt mắc chứng loạn cận đơ n, ở vị trí 2 là loạn viễn đơ n, ở vị trí 3 là

loạn cận kép, ở vị trí 4 là loạn viễn kép, ở

vị trí số 5 loạn hỗn hợ p (Hình 17.14).

+ Loạn thị đều không theo quy tắc

Tr ườ ng hợ p này chỉ chiếm 15% tổng

số tr ườ ng hợ p loạn thị đều ở tr ườ ng hợ p

này kinh tuyến đứng COD có bán kính Hình 6.14

5 4 2 5 1 3

Vâng m¹c

LƯ ỡ ng chấ tcầu LƯ ỡ ng chấ t

cầu

Hình 17 .13. M ắ t loạn thị theo quy t ắ c

00




244

cong nhỏ hơ n bán kính cong của kinh tuyến ngang AOB, do đó độ tụ theo phươ ng

đứng lớ n hơ n độ tụ theo phươ ng ngang

(Hình 17.15). Loạn thị đều không

theo quy tắc tươ ng đươ ng vớ i một

lưỡ ng chất cầu ghép vớ i một thấu

kính tr ụ hội tụ có tr ục thẳng đứng hoặc

tươ ng đươ ng vớ i hệ quang học gồm

một lưỡ ng chất cầu ghép vớ i một thấu

kính tr ụ phân k ỳ có tr ục nằm ngang.

Một chùm tia sáng song song sau khi qua hệ quang học này sẽ hội tụ trên hai

đoạn thẳng,đoạn thẳng đứng ở phía tr ướ c đoạn nằm ngang. Tuỳ theo vị trí của võng

mạc mà ta cũng có các tr ườ ng hợ p sau (Hình 17.17)- Võng mạc ở vị trí 1 là loạn cận đơ n

- Võng mạc ở vị trí 2 là loạn viễn đơ n

- Võng mạc ở vị trí 3 là loạn cận kép

- Võng mạc ở vị trí 4 là loạn viễn kép

- Võng mạc ở vị trí 5 là loạn hỗn hợ p.

* Cách s ử a t ật lo ạn th ị

Tất cả các tật loạn thị đã nêu trên đều sửa đượ c bằng cách phối hợ p các thấukính cầu và tr ụ thích hợ p. Ta xét hai tr ườ ng hợ p cụ thể:

- Sửa loạn cận đơ n theo quy tắc:

Khi không điều tiết, ảnh của một điểm ở vô cực sẽ hiện trên hai đoạn thẳng

(Hình 17.17). Đoạn đứng ở võng mạc, đoạn ngang ở tr ướ c võng mạc. Muốn sửa tật

Hình 17 .17 Hình 17 .17. Loạn cận đơ n theoquy t ắ c đ ã sử a

Vângm¹c

4 2 5 1 3

Hình 17 .15

x'

x

x'

x




245

này phải giảm độ tụ theo phươ ng ngang để cho đoạn ngang lùi về võng mạc. Như

vậy phải đeo cho mắt một thấu kính tr ụ phân k ỳ có tr ục nằm ngang (Hình 17.17).

- Sửa tật loạn hỗn hợ p không theo quy tắc:

Khi không điều tiết, ảnh của vật ở vô cực là hai đoạn thẳng, đoạn đứng ở

phía tr ướ c võng mạc còn đoạn ngang ở phía sau võng mạc (Hình 17.18).

Ta có thể dùng thấu kính hội tụ có độ

tụ thích hợ p để đưa về tr ườ ng hợ p loạn cận

đơ n không theo quy tắc, sau đó dùng một thấu

kính tr ụ phân k ỳ có độ tụ thích hợ p, tr ục thẳng

đứng để sửa tật loạn cận đơ n.

Tr ườ ng hợ p này cũng có thể dùng thấu

kính cầu phân k ỳ để đưa về loạn viễn đơ n, sauđó dùng thấu kính tr ụ hội tụ để sửa tật loạn

viễn đơ n. Tất cả các tr ườ ng hợ p loạn hỗn hợ p và loạn kép đều có thể dùng thấu kính

cầu để đưa về loạn đơ n sau đó tiế p tục dùng thấu kính tr ụ để sửa tiế p tật loạn đơ n.

Thực tế thấu kính cầu và tr ụ đượ c ghép chung thành một cái.

17.5. LASER VÀ Ứ NG DỤNG TRONG Y HỌC

17.5.1. Khái niệm về Laser

Laser, một trong những phát minh v ĩ đại của thế k ỷ XX bắt nguồn từ luận thuyết

về hiện tượ ng phát xạ cưỡ ng bức của nhà Vật lý thiên tài Albert Einstein năm 1917.

Nhưng tớ i năm 1954 các nhà vật lý Baxố p và Prokhôxố p (Liên xô) Savêlố p

và Taoxơ (Mỹ) đồng thờ i đã công bố công trình về nguyên lý của Laser và họ cũng

đượ c tặng giải thưở ng Nobel vật lý 1964. Laser là viết tắt gồm chữ cái đầu của cụm

từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (sự khuyếch

đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡ ng bức). Máy laser đầu tiên đượ c Meiman chế tạo

năm 1960 là laser hồng ngọc (Rubi). Tiế p các năm sau ngườ i ta đã tìm ra hàng loạt

các chất khác có khả năng phát tia laser như: hỗn hợ p khí Heli-Neon (He-Ne) 1961, bán dẫn Gallium arsen (Ga-as) 1964, tinh thể yurium Alluminium Garnet (YAG)

1964, laser mầu 1966, laser khí Cacbonnic (CO2) 1968... Laser dần dần tr ở thành

một nhân tố thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khoa học, đặc biệt công nghiệ p

và quốc phòng.

H×nh 6.35 Hình 17 .18






247

ΔE = hλ = E2-E1 (17.21)

Tr ườ ng hợ p phát xạ photon gọi là hiện tượ ng phát xạ tự do (17.19.b) thông

thườ ng các photon sinh ra do phát xạ tự do đi theo mọi hướ ng.

* Hiện tượ ng phát xạ cưỡ ng bức

Cũng như hiện tượ ng hấ p thụ, khi ta chiếu vào môi tr ườ ng vật chất một chùm

ánh sáng đơ n sắc vớ i năng lượ ng của mỗi photon = hλ, photon sẽ tươ ng tác vớ i các

điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡ ng bức các điện tử này r ờ i bỏ mức kích thích

sớ m hơ n thờ i gian sống của nó (17.19.c). Cùng vớ i sự dịch chuyển này, nguyên tử

sẽ phát xạ ra một photon có cùng năng lượ ng hλ và có cùngcác tính chấtvớ i photon

đã gây cưỡ ng bức như hướ ng truyền, độ phân cực, pha...

Trong tr ườ ng hợ p này photon gây cưỡ ng bức không bị mất mát như trong

hiện tượ ng hấ p thụ mà vẫn tồn tại và duy trì hoàn toàn tính năng của nó đến mức ta

không thể phân biệt đâu là photon gây cưỡ ng bức, đâu là photon sinh ra từ dịch

chuyển cưỡ ng bức điện tử. Hiện tượ ng phát xạ cưỡ ng bức mang tính chất khuyếch

đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh 2, 2 sinh 4... Như vậy bức xạ cưỡ ng bức làm

tăng số photon, tác dụng ngượ c lại vớ i sự hấ p thụ và có khả năng khuyếch đại ánh

sáng qua môi tr ườ ng. Sự phóng photon cưỡ ng bức là nguồn gốc của chùm tia laser.

Hình 17.19. Các hiện t ượ ng quang học: a- hấ p thụ; b- phát xạ t ự do;c- phát xạ cưỡ ng bứ c

a bc




248

17.5.3. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy phát tia Laser

17.5.3.1. C ấ u trúc đ i ể n hình c ủa máy phát ti a L aser

Như vậy khi chiếu một chùm ánh sáng vào một môi tr ườ ng vật chất sẽ có

3 hiện tượ ng quang học cơ bản xảy ra: hấ p thụ, phát xạ tự do và phát xạ cưỡ ng

bức. Vì thế, muốn tạo đượ c chùm tia Laser thì máy phát tia Laser cần có 3 bộ

phận chính:

* Môi tr ườ ng hoạt chất:

Bình thườ ng trong cuộc sống hàng ngày hấ p thụ ánh sáng và dẫn truyền ánhsáng là những hiện tượ ng phổ biến, hiện tượ ng khuyếch đại ánh sáng r ất hiếm thấy

vì các nguyên tử vật chất chủ yếu ở tr ạng thái cơ bản. Ngh ĩ a là khi môi tr ườ ng ở

tr ạng thái cân bằng, số điện tử ở mức thấ p (n1) bao giờ cũng lớ n hơ n số điện tử ở

mức kích thích (n2). Để có hiệu ứng laser (chùm ánh sáng đượ c khuyếch đại) ta phải

tạo môi tr ườ ng đặc biệt mà ở đấy hiện tượ ng phát xạ cưỡ ng bức phải mạnh hơ n hiện

tượ ng hấ p thụ. Hiệu ứng này chỉ xảy ra ở môi tr ườ ng mà các điện tử ở mức trên n2

lớ n hơ n số điện tử ở mức dướ i n1 (n2 > n1). Môi tr ườ ng đặc biệt như vậy gọi là môi

tr ườ ng đảo ngượ c độ tích luỹ. Môi tr ườ ng này là thành phần cơ bản của mọi máy

laser, có tên là hoạt chất laser.

* Nguồn kích thích (nguồn nuôi, bơ m năng lượ ng):

Ngoài hoạt chất, mỗi laser bất k ỳ phải có nguồn nuôi cung cấ p năng lượ ng,

là nơ i cung cấ p năng lượ ng cho hoạt chất của laser. Nhờ năng lượ ng này mà các

H ình 17 .20. C ấ u trúc đ iể n hình của laser và quá trình hình thành tia laser




249

điện tử di chuyển đượ c lên mức kích thích và duy trì đảo ngượ c độ tích luỹ của điện

tử trong hoạt chất của laser. Bơ m năng lượ ng có thể là bộ phận phát sáng (đèn

Xênôn cho laser Rubi), là máy phát tần số cao (laser khí), là dòng điện có mật độ

dòng điện lên đến hàng ngàn A/ cm2 (laser bán dẫn).

* Buồng cộng hưở ng:

- Buồng cộng hưở ng có chức năng tăng cườ ng sự khuyếch đại ánh sáng bằng

cách làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần qua hoạt chất.

- Cấu trúc hình dạng của buồng cộng hưở ng r ất đa dạng. Loại đơ n giản nhất

gồm hai gươ ng ghép đối diện sao cho tr ục quang học của chúng trùng nhau ở hai

đầu buồng quang học cho phép chùm ánh sáng qua lại hoạt chất nhiều hơ n tr ướ c khi

đạt tr ạng thái ổn định và phát ra tia laser qua gươ ng bán mờ (gươ ng phản xạ 70-

98%).Buồng cộng hưở ng còn có ý ngh ĩ a chỉ cho phép ánh sáng có bướ c sóng λ thoả mãn điều kiện sau:

λ = 2L/m (L: độ dài giữa 2 gươ ng, m: số tự nhiên), vì vậy laser mang tính đơ n sắc.

17.5.3.2. S ơ đồ m ứ c n ăng l ượ ng vànguyên lý ho ạt động

* Tậ p hợ p những đườ ng ngang dướ i đây là sơ đồ mức năng lượ ng và việc tạo thành

tia laser:

Hình 17.21. S ơ đồ mứ c năng l ượ ng t ạo tia laser

Trong đó:

- E1, E2, E3, E4… là các mức năng lượ ng có thể của các hạt tạo nên môi

tr ườ ng hoạt động (môi tr ườ ng laser).

- Sự chuyển E4 → E3 → E2 không kèm theo phát quang, theo xu thế các hạt

muốn chuyển về tr ạng thái có mức năng lượ ng thấ p.

- Bướ c chuyển E2 → E1 là bướ c chuyển phát tia laser.

Tia Laser

E4

E1

E2

E3




250

- Bướ c chuyển từ E1 → E2, E3, E4 thực hiện đượ c là do quá trình cung cấ p

năng lượ ng kích thích môi tr ườ ng laser (bơ m năng lượ ng).

* Các tia laser đầu tiên sinh ra trong môi tr ườ ng laser phản xạ đi lại trong môi

tr ườ ng, kích thích môi tr ườ ng làm phát ra các tia khác. Khi đạt tr ạng thái ổn định

các tia laser đi qua gươ ng phản xạ 1 phần đi ra ngoài tạo thành lối ra của chùm laser.

Chùm laser có thể phát liên tục hoặc phát thành xung.

17.5.4. Phân loại Laser

Có nhiều cách phân loại laser: theo môi tr ườ ng hoạt chất laser, theo phươ ng

pháp bơ m năng lượ ng, theo chế độ hoạt động, theo công suất...Phươ ng pháp phân

loại thông dụng hiện nay là theo môi tr ườ ng hoạt chất laser:

17.5.4.1. Laser ch ấ t r ắn

- Laser Rubi (hồng ngọc): hoạt chất là tinh thể Alluminium Al2O3 có gắn ionChrôm

- Laser bán dẫn: loại thông dụng nhất hiện nay là laser điôt Gallium arsen

- Laser YAG- Neodym: hoạt chất là ytrium Aluminium Garnet (YAG) và

2-5% nguyên tử Neodym

17.5.4.2. Laser ch ấ t khí

- Laser He-Neon: hoạt chất là khí Heli và Neon

- Laser argon: hoạt chất là khí argon ion hoá bằng phươ ng pháp phóng điện- Laser CO2: hoạt chất là phân tử khí CO2

- Laser Nitơ : hoạt chất là khí Nitơ

- Các loại laser khác: laser hơ i đồng, laser hơ i vàng, laser excimer…

17.5.4.3. Laser ch ấ t l ỏng

Laser mầu, vớ i hoạt chất mầu pha lỏng trong môi tr ườ ng khác nhau. Ví dụ là

rhodamin 6G.

17.5.5. Tính chất của chùm laser

Bản chất của tia laser là ánh sáng, cho nên tia laser có đầy đủ các tính chất

của chùm sáng: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ , khúc xạ...

Vớ i các hoạt chất laser khác nhau, sẽ có λ khác nhau từ miền tử ngoại → ánh

sáng nhìn thấy → hồng ngoại → vi sóng.

Ngoài ra nó còn có những tính chất sau:




251

17.5.5.1. Độ đơ n s ắc r ấ t cao

Độ r ộng phổ của chùm tia laser r ất nhỏ (Δλ ≈ 0,1A0) do vậytia laser có độ

đơ n sắc r ất cao. Laser khác nhau có độ đơ n sắc khác nhau, chùm sáng chỉ là một

màu và năng lượ ng tậ p trung toàn bộ vào màu đó (hay chùm sáng chỉ có một bướ c

sóng).

17.5.5.2. Độ k ế t h ợ p r ấ t cao

Độ k ết hợ p đượ c đặc tr ưng bở i thờ i gian k ết hợ p và độ dài k ết hợ p, các laser

khí cho bức xạ có độ k ết hợ p cao nhất.

Tính đồng bộ của các photon trong chùm laser là sự k ết hợ p các photon theo

thờ i gian. Tia laser phát sinh trên cơ sở phát xạ cưỡ ng bức, các photon giống hệt nhau

lại hoạt động đồng bộ theo thờ i gian và không gian nên tạo ra mật độ công suất độc

đáo như khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vết nhỏ cực tinh trong thờ i gian ngắn tớ inanô giây (một phần tỷ giây) và những k ỹ thuật đo đạc trong nghành quang phổ.

17.5.5.3. Độ đị nh h ướ ng cao

Độ định hướ ng đượ c xác định bở i giá tr ị của góc mở chùm sáng. Do cấu trúc

của buồng cộng hưở ng, nên tia laser phát ra hầu như dướ i dạng chùm sáng song

song. Tuy vậy, do nhiễu xạ nên tia laser có góc mở đạt giá tr ị cực nhỏ và có thể

chiếu xa hàng nghìn kilômet r ất cần thiết cho k ỹ thuật đo xa, định vị chiếu xạ vớ i độ

chính xác r ất cao.17.5.5.4. Phát liên t ục vàphát xung c ự c ng ắn

Nhờ những thành tựu khoa học và công nghệ, ban đầu laser chỉ phát ở chế độ

liên tục hoặc chế độ xung, ngày nay cho phép tậ p trung năng lượ ng tia laser trong

thờ i gian xung cực ngắn cỡ 1 nanô giây hoặc 1 picô giây (1/ 1000 giây).

Điều này có ý ngh ĩ a lớ n trong khoa học và y học. Tớ i nay chỉ có laser có khả

năng phát ra thờ i gian ngắn như vậy.

17.5.6. Ứ ng dụng của Laser trong y học

Ngày nay, laser đượ c dùng vào nhiều mục đích khác nhau trong y học, k ỹ

thuật, quân sự, thông tin liên lạc...

Các thiết bị laser y học đượ c chia thành hai nhóm chính là nhóm thiết bị chẩn

đoán bệnh và nhóm các thiết bị laser điều tr ị.




252

17.5.6.1.Ứ ng d ụng c ủa laser trong ch ẩ n đ oán.

Ngườ i ta sử dụng laser như nguồn sáng kích thích huỳnh quang của những

chất khác nhau trong các ỏ chức sống. Do đó, nhờ nghiên cứu phổ huỳnh quang, ta có

thể chẩn đoán bệnh một cách chính xác. Thí dụ:

- Máy cắt lớ p laser k ết hợ p vớ i vi xử lý và computer

- Phổ Doppler để đo dòng máu sử dụng trong nghiên cứu vi tuần hoàn

- Phân tích vi phổ phát xạ hoặc kính hiển vi laser…

17.5.6.2.Ứ ng d ụng c ủa laser trong đ i ều tr ị

Các thiết bị laser điều tr ị gồm 2 loại:

- Laser công suất thấ p (laser mềm): điều tr ị bằng cách kích thích quang sinh

hoá của tổ chức sống giúp bệnh tự khỏi.

- Laser công suất cao (laser cứng): chùm laser có thể gây hoại tử , quangđông hoặc bốc bay tổ chức tuỳ thuộc vào công suất, độ hội tụ của laser và khả năng

hấ p thụ laser của mô.

Việc sử dụng các loại laser khác nhau cùng vớ i liều chiếu khác nhau cho

phép ta điều tr ị những căn bệnh khác nhau.

* Laser trong chuyên khoa mắ t:

L ĩ nh vực chuyên khoa mắt vẫn là l ĩ nh vực ứng dụng có ý ngh ĩ a lớ n nhất của

laser. Công nghệ hàn bong võng mạc và chữa bệnh glaucoma đã giúp cho hàng triệungườ i khỏi mù loà.

- Laser Ecimer vớ i bướ c sóng vùng cực tím xung quanh 200mm để chỉnh độ

cong của giác mạc, tạo cơ sở chữa các bệnh loạn thị, viễn thị và cận thị.

- Laser He-Ne giúp làm giảm nhanh quá trình viêm, đẩy nhanh quá trình biểu

mô hoá, phục hồi sự nhạy cảm của giác mạc vì vậy dùng điều tr ị bỏng nhiệt, bỏng

hoá chất, loét giác mạc mắt.

* Laser chữ a các t ổ n thươ ng da.

Laser công suất cao đặc biệt là laser CO2 đã điều tr ị đượ c các u mạch nông

hoàn toàn không sẹo. Nhờ đó, laser tr ở thành một công cụ không thể thiếu cho

chuyên khoa thẩm mỹ da. Laser CO2, laser Rubi (laser hồng ngọc) vớ i chế độ xung

cực ngắn có thể xoá nế p nhăn, nốt ruồi, mụn cơ m, sẹo lồi, các vết săm, tàn nhang,

tr ứng cá, sạm da, sùi mào gà....




253

Đối vớ i laser công suất thấ p (như laser He-Ne) đượ c sử dụng để điều tr ị các

vết loét loạn dưỡ ng, các dạng ezema, viêm bì da thần kinh, vẩy nến, tr ứng cá đỏ...

Để nâng cao hiệu quả điều tr ị, những năm gần đây ngườ i ta phối hợ p chiếu laser vớ i

thuốc cảm quang và chống viêm.

* Laser trong l ĩ nh vự c ngoại khoa.

- Trong phẫu thuật: phươ ng pháp mổ bằng laser ngày càng đượ c áp dụng phổ

biến. Ngườ i ta dùng chùm tia laser CO2 có mật độ công suất cao thay cho dao mổ

thông thườ ng, chùm laser đó đượ c gọi là dao laser hay dao quang. Sử dụng dao

quang trong phẫu thuật an toàn và chính xác hơ n nhiều so vớ i dùng dao thườ ng hay

dao điện. Ngoài ra đườ ng r ạch bằng dao quang thì nhỏ hơ n các loại dao thườ ng và cầm

máu tốt hơ n.

Trong tim mạch: hiện nay, thành tựu lớ n nhất về ứng dụng laser trongchuyên khoa tim mạch là k ỹ thuật tạo hình bằng laser Ecimer. Dùng laser k ết hợ p

vớ i nội soi trong phẫu thuật bằng YAG:Nd có thể tạo hình van và hàn các lỗ thông

nh ĩ , thông liên thất. Nhờ đó, laser có thể điều tr ị đượ c các bệnh nhồi máu cơ tim,

suy mạch vành nhẹ, cao huyết áp và tai biến mạch máu não.

- Trong các tr ườ ng hợ p nhiễm trùng ngoại khoa: Do có tác dụng tốt, laser nội

mạch đượ c sử dụng r ộng rãi vớ i mục đích phòng và điều tr ị nhiều loại nhiễm trùng

ngoại khoa.- Ngoài ra, laser còn ứng dụng điều tr ị các bệnh lý về mạch (như xơ vữa, xơ

cứng mạch máu) và điều tr ị các chứng loạn dưỡ ng.

* Laser trong l ĩ nh vự c nội khoa.

- Bệnh của cơ quan hô hấ p: Phươ ng pháp chiếu laser bên ngoài đượ c thay dần

bằng phươ ng pháp chiếu nội khí quản và nội mạch. Chiếu laser He-Ne phối hợ p trong

điều tr ị viêm phổi mãn làm bệnh khỏi nhanh hơ n: làm tăng sinh hồng cầu, làm ổn

định dần các enzym và làm bình thườ ng hoá quá trình trao đổi năng lượ ng. Chiếu

laser nội khí quản cho tr ẻ em bị viêm phổi không đặc hiệu mãn tính có tác dụng tăng

chuyển hoá trong tế bào nhờ đó rút ngắn rhờ i gian điều tr ị.

- Bệnh của cơ quan tiêu hoá: laser năng lượ ng thấ p có tác dụng kích thích

quá trình tái tạo tổ chức hạt và quá trình biểu mô hoá do đó nó có tác dụng tại chỗ




254

điều tr ị các tổn thươ ng loét đườ ng tiêu hoá. Ví dụ: điều tr ị loét dạ dày hành tá tràng

bằng laser năng lượ ng thấ p qua ống nội soi có hiệu quả cao.

- Laser trong các bệnh về khớ p: khi chiếu laser ánh sáng đỏ có tác dụng giảm

đau và chống viêm ở các bệnh nhân bị bệnh thấ p khớ p. Chiếu laser cũng có hiệu

quả khi điều tr ị những tổn thươ ng thoái hoá nặng của các khớ p lớ n và sau tổn

thươ ng bộ máy vận động.

* Laser trong đ ông y và chuyên ngành thần kinh.

Ngườ i ta đã phát minh ra một loại thiết bị y tế đặc biệt gọi là laser châm

cứu. Các hệ laser châm cứu có hiệu quả hơ n so vớ i các laser châm cũng như các

phươ ng pháp dùng kim thông thườ ng. Đầu bút laser đượ c gắn vớ i hệ thống dò

huyệt và khi tìm đúng huyệt mớ i bắt đầu chiếu huyệt. Nhờ đó, tr ườ ng hợ p chệch

huyệt là r ất hiếm k hi xảy ra giúp bệnh nhân không bị đau mà hiệu quả lại cao.Thiết bị này cũng cho phép chiếu nhiều huyệt cùng một lúc. Dùng laser châm

cứu có thể điều tr ị đượ c r ất nhiều bệnh như là đau dây thần kinh tam thoa, viêm

khớ p, đái đườ ng, đái dầm, đau dây thần kinh toạ, đau đầu, mất ngủ cơ năng, đau

lưng cơ năng, hen suyễn, phế quản....

Ngoài ra còn sử dụng laser He- Ne nội mạch để điều tr ị hiệu quả bệnh thần

kinh như: điều tr ị đau dây thần kinh toạ, liệt VII, bệnh Parkinson và tai biến mạch

máu não.* Laser trong đ iề u tr ị ung thư

Đó là biện pháp điều tr ị bằng quang động lực, tức là chiếu những chùm laser

có bướ c sóng thích hợ p vào các mô và cơ quan để kích thích (hoạt hoá) các hoá chất

đã đượ c đưa vào tr ướ c đó. Khi ấy các hoá chất đó sẽ có tác dụng diệt bào hoặc kìm

hãm sự phát triển của tế bào. ứng dụng phươ ng pháp này trong điều tr ị bệnh ung thư

(đối vớ i laser màu, laser hơ i vàng).

Ngoài ra, laser còn đượ c sử dụng trong nhiều chuyên ngành khác như sản

khoa và bệnh học giớ i tính, r ăng hàm mặt, tai mũi họng....

Tóm lại, laser đượ c ứng dụng r ộng rãi trong y học, tuỳ vào mục đích điều tr ị

mà ta có thể lựa chọn các loại laser khác nhau.




255

Chươ ng 18

Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN

18.1. TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨ C XẠ ION HOÁ

18.1.1. Cơ chế tác dụng của bứ c xạ ion hoá lên cơ thể sống

18.1.1.1. C ơ ch ế tr ự c ti ế p

Năng lượ ng của bức xạ tr ực tiế p truyền cho các phân tử cấu tạo nên các tổ

chức sống mà chủ yếu là các đại phân tử hữu cơ . Năng lượ ng đó gây nên:

+ Các quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử.

+ Các phản ứng hoá học xảy ra giữa các phân tử mớ i tạo thành sau khi bị

kích thích hoặc ion hoá.

Hậu quả là các phân tử hữu cơ quan tr ọng trong tổ chức sống bị tổn thươ ng

gây nên các tác dụng sinh học tiế p theo như tổn thươ ng chức năng hoạt động, gây

đột biến gen, huỷ diệt tế bào...

Các quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử, các phản ứng hoá

học xảy ra giữa các phân tử tr ướ c hết gây nên các tổn thươ ng tại đó và sau có thể

lan truyền ra các phân tử khác ở xung quanh.

18.1.1.2. C ơ ch ế tác d ụng gián ti ế p

Bức xạ ion hoá tác dụng lên các phân tử nướ c gây nên những biến đổi ở đótạo ra các sản phẩm hoá học mớ i là các ion dươ ng hoặc âm (H2O

-, H2O+, H+, OH-)

và các phân tử ở tr ạng thái kích thích (H2O*, H*, OH*, HO2

*....).

Các sản phẩm mớ i này sẽ gây nên các phản ứng hoá học vớ i các phân tử hữu

cơ của tổ chức sinh học và làm biến đổi chúng.

Như vậy, năng lượ ng của chùm tia đã tác dụng lên các phân tử hữu cơ của tổ

chức sống, gián tiế p thông qua phân tử nướ c có trong đó.

Hai cơ chế tác dụng tr ực tiế p và tác dụng gián tiế p đều có giá tr ị quan tr ọng

của nó. ở mọi lúc, mọi chỗ, cả 2 cơ chế đó đều tồn tại nhưng tuỳ thuộc vào môi

tr ườ ng và điều kiện mà có lúc cơ chế này có vị trí và vai trò lớ n hơ n cơ chế kia. Hai

cơ chế đó hỗ tr ợ cho nhau và giúp chúng ta hiểu đượ c sâu sắc hơ n bản chất của các

quá trình phóng xạ sinh học.




256

18.1.2. Tác dụng của bứ c xạ ion hoá lên cơ thể sống

Bức xạ ion hoá tác dụng lên các cơ thể sống sẽ gây ra những thươ ng tổn

và các hiệu ứng làm r ối loạn chức năng sinh lý của chúng. Tuy nhiên độ nhạy

cảm của các cơ thể sống tr ướ c bức xạ ion hoá và khả năng hồi phục sau chiếu xạ

không giống nhau.

18.1.2.1. Các t ổ n th ươ ng s ớ m

Các tổn thươ ng sớ m thườ ng xuất hiện khi cơ thể bị chiếu những liều cao

trong một khoảng thờ i gian ngắn. Biểu hiện của tổn thươ ng sớ m ở một số cơ quan:

- Thần kinh trung ươ ng

Vớ i liều chiếu r ất cao gây chết ngay trong vài phút hay vài giờ sau chiếu xạ

chủ yếu do các r ối loạn của hệ thần kinh trung ươ ng.

-Máu và cơ quan t ạo máu

Mô lympho và tuỷ xươ ng là những tổ chức nhạy cảm cao vớ i bức xạ. Sau

chiếu xạ liều cao chúng có thể ngừng hoạt động và số lượ ng tế bào trong máu ngoại

vi giảm xuống nhanh chóng. Mức độ tổn thươ ng và thờ i gian kéo dài tổn thươ ng

phụ thuộc vào liều chiếu và thờ i gian chiếu. Biểu hiện lâm sàng ở đây là các triệu

chứng xuất huyết, phù, thiếu máu. Xét nghiệm máu cho thấy giảm số lượ ng limpho,

bạch cầu hạt, tiểu cầu và hồng cầu. Xét nghiệm tuỷ xươ ng thấy giảm sinh sản cả 3

dòng, sớ m nhất là dòng hồng cầu.

- H ệ tiêu hoá

Chiếu xạ liều cao làm tổn thươ ng niêm mạc ống vị tràng gây ảnh hưở ng đến

việc tiết dịch của các tuyến tiêu hoá vớ i các triệu chứng như ỉa chảy, sút cân, nhiễm

độc máu, giảm sức đề kháng của cơ thể. Những thay đổi trong hệ thống tiêu hoá

thườ ng quyết định hậu quả của bệnh phóng xạ.

- Da

Sau chiếu xạ liều cao thườ ng thấy xuất hiện các ban đỏ trên da, viêm da, xạm

da. Các tổn thươ ng này có thể dẫn tớ i viêm loét, thoái hoá, hoại tử da hoặc phát

triển các khối u ác tính ở da.

- C ơ quan sinh d ục




257

Các tuyến sinh dục có độ nhạy cảm cao vớ i bức xạ. Cơ quan sinh dục nam

nhạy cảm vớ i bức xạ cao hơ n cơ quan sinh dục nữ. Liều chiếu 1Gy lên cơ quan

sinh dục có thể gây vô sinh tạm thờ i ở nam, liều 6 Gy gây vô sinh lâu dài ở cả nam

và nữ.

- S ự phát triể n ở phôi thai

Những bất thườ ng có thể xuất hiện trong quá trình phát triển phôi thai và thai

nhi khi ngườ i mẹ bị chiếu xạ trong thờ i gian mang thai, đặc biệt trong giai đoạn đầu,

vớ i các biểu hiện như xẩy thai, thai chết lưu, hoặc sinh ra những đứa tr ẻ bị dị tật

bẩm sinh.

18.1.2.2. Các hi ệu ứ ng mu ộn

Hiệu ứng muộn thườ ng gặ p ở những ngườ i bị chiếu xạ thấ p và tr ườ ng diễn

do nghề nghiệ p phải thườ ng xuyên tiế p xúc vớ i phóng xạ. Các hiệu ứng muộn chia

làm 2 loại:

- Hiệu ứ ng sinh thể : giảm tuổi thọ, đục thuỷ tinh thể, tần số xuất hiện các bện

ung thư cao hơ n bình thườ ng. Các bệnh ung thư thườ ng gặ p là ung thư máu, ung

thư xươ ng, ung thư da, ung thư phổi…

- Hiệu ứ ng di truyề n: tăng tần số xuất hiện các đột biến về di truyền, dị tật

bẩm sinh, quái thai.

18.1.3. Tác dụng của bứ c xạ ion hóa lên tế bàoDướ i tác dụng của Bức xạ ion hoá, tế bào có thể lâm vào tình tr ạng:

- Chết do tổn thươ ng nặng ở nhân và nguyên sinh chất.

- Ngừng phân chia do tổn thươ ng chất liệu di truyền.

- Tế bào không phân chia đượ c nhưng số nhiễm sắc thể vẫn tăng lên gấ p đôi

và tr ở thành tế bào khổng lồ.

- Tế bào vẫn phân chia thành hai tế bào mớ i nhưng có sự r ối loạn trong cơ

chế di truyền.

Trong tế bào, những thành phần nhạy cảm nhất vớ i bức xạ ion hoá là Màng,

ty lạ p thể và lướ i nội nguyên sinh.

Trên cùng một cơ thể, các tế bào khác nhau có độ nhạy cảm phóng xạ cũng

khác nhau. Độ nhạy cảm của tế bào thườ ng không cố định mà thay đổi tuỳ thuộc

vào r ất nhiều yếu tố. Qua nghiên cứu thực nghiệm, hai nhà bác học Bergonir và




258

Tribondeau đã đưa ra định luật sau:" Độ nhạy cảm của tế bào tr ướ c bức xạ tỷ lệ

thuận vớ i khả năng sinh sản và tỷ lệ nghịch vớ i mức độ biệt hoá của chúng". Như

vậy những tế bào non đang tr ưở ng thành (tế bào phôi), tế bào sinh sản nhanh, dễ

phân chia (tế bào của cơ quan tạo máu, niêm mạc ruột, tinh hoàn, buồng tr ứng…)

thườ ng có độ nhạy cảm phóng xạ cao. Tế bào ung thư có khả năng sinh sản mạnh,

tính biệt hoá kém nên cũng nhạy cảm cao hơ n so vớ i tế bào lành xung quanh.

Tuy nhiên, trong cơ thể không phải tất cả các tế bào đều tuân theo định luật

trên, cũng có một số tr ườ ng hợ p ngoại lệ: tế bào thần kinh thuộc loại không phân

chia, phân lậ p cao nhưng cũng r ất nhạy cảm vớ i phóng xạ, hoặc tế bào limpho

không phân chia, biệt hoá hoàn toàn nhưng nhạy cảm cao vớ i phóng xạ.

18.2. Ứ NG DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC VÀ AN TOÀN

PHÓNG XẠ 18.2.1. Ứ ng dụng của tia phóng xạ trong chẩn đoán

- C ơ sở : dựa trên cơ sở phươ ng pháp nguyên tử đánh dấu và sự hấ p thụ bức

xạ khác nhau giữa các tế bào và mô cũng như mô lành và mô bệnh.

- Yêu cầu: lựa chọn các đồng vị phóng xạ có độc tính phóng xạ thấ p, dễ thu

nhận bằng các máy đo xạ, chu k ỳ bán rã không ngắn quá hoặc dài quá, thải tr ừ khỏi

cơ thể trong một thờ i gian không dài.

Ví dụ: P32 có T= 14,5 ngày, phát tia β có năng lượ ng 1,7 MeV. Dùng để chẩn

đoán và điều tr ị bệnh về máu, điều tr ị giảm đau do di căn ung thư xươ ng,...

I131 có T= 8,05 ngày, phát tia β có năng lượ ng 0,2 MeV và tia γ có

năng lượ ng 0,008; 0,282; 363; 0,637 MeV. Dùng để chẩn đoán chức năng tuyến

giáp, chức năng thận, hấ p thụ ở đườ ng tiêu hoá...

- Phân loại: phươ ng pháp chẩn đoán bằng đồng vị phóng xạ đượ c phân thành

2 nhóm chính:

+ Chẩn đoán trên toàn bộ cơ thể bệnh nhân (in vivo).

+ Chẩn đoán bằng các dịch thể sinh vật như nướ c tiểu, máu hay tổ chức tế

bào (in vitro).

- Các phươ ng pháp chẩ n đ oán: dựa theo tính chất k ỹ thuật và phươ ng tiện

nghiên cứu ngườ i ta chia thành 4 phươ ng pháp sau:

+ Xạ k ế trên ống nghiệm: Là phươ ng pháp xác định độ phóng xạ trên các mẫu

(xạ k ế in vitro). Tuỳ theo yêu cầu chẩn đoán mà ngườ i ta đưa các đồng vị phóng xạ




259

vào cơ thể, sau đó lấy ra các mẫu máu, nướ c tiểu, dịch thể sinh vật... Căn cứ vào trang

bị máy móc có thể đo đượ c toàn bộ khối lượ ng dịch thể hoặc chỉ đo 1 phần nhỏ r ồi

tính ra độ phóng xạ toàn bộ (Ví dụ: xác định lượ ng máu lưu hành trong cơ thể).

+ Xạ k ế lâm sàng: Dùng để theo dõi sự tích tụ chất phóng xạ ở một tổ chức

cơ quan nào đó của cơ thể. Ví dụ: Đo độ tậ p trung Iode tại tuyến giáp, mức độ hấ pthụ Na ở các tổ chức và mô,... Thườ ng dùng trong các tr ườ ng hợ p cần đo xạ một lần

hoặc nhiều lần cách nhau những khoảng thờ i gian nhất định. Giá tr ị đo đượ c biểu thị

bằng tỷ số phần tr ăm so vớ i tổng số lượ ng chất phóng xạ đưa vào hoặc so vớ i độ

phóng xạ ở khu vực lành cần đối chứng.

+ Xạ ký lâm sàng: ở phươ ng pháp này sau khối khuyếch đại ngườ i ta thay bộ

tự ghi cho bộ đếm xung do đó k ết quả do hoạt tính phóng xạ đượ c biểu diễn thành

một đườ ng cong liên tục theo thờ i gian như xạ thận đồ, xạ tâm đồ, xạ não đồ....+ Xạ hình: là phươ ng pháp ghi hình ảnh sự phân bố của phóng xạ ở bên

trong các phủ tạng bằng cách đo hoạt độ phóng xạ của chúng từ bên ngoài cơ thể.

Phươ ng pháp này đượ c tiến hành qua 2 bướ c:

- Đưa dượ c chất phóng xạ (DCPX) và DCPX đó phải tậ p trung đượ c ở những

mô, cơ quan định nghiên cứu và phải đượ c lưu giữ ở đó một thờ i gian đủ dài.

- Sự phân bố trong không gian của DCPX sẽ đượ c ghi thành hình ảnh. Hình

ảnh này đượ c gọi là xạ hình đồ, ghi hình nhấ p nháy.

Xạ hình không chỉ là phươ ng pháp chẩn đoán hình ảnh đơ n thuần về hình

thái mà nó còn giúp ta hiểu và đánh giá đượ c chức năng của cơ quan, phủ tạng và

một số biến đổi bệnh lý khác.

18.2.2. Ứ ng dụng của tia phóng xạ trong điều trị

- C ơ sở : của việc dùng đồng vị phóng xạ trong điều tr ị là hiệu ứng sinh vật

học của các bức xạ ion hoá trên cơ thể sống. Độ nhạy cảm phóng xạ của các loại tế

bào và mô r ất khác nhau, đặc biệt tế bào ung thư là những tế bào đang phát triển

mạnh r ất nhạy cảm vớ i tia xạ. Do vậy nếu chiếu cùng một liều bức xạ thì tiêu diệt

đượ c mô ung thư còn mô bình thườ ng không có biến đổi gì nguy hiểm. Đó cũng

chính là nguyên tắc điều tr ị bằng tia phóng xạ.

- Các phươ ng pháp đ iề u tr ị:




260

+ Điều tr ị chiếu ngoài: Sử dụng máy phát tia γ cứng và các máy gia tốc để huỷ

diệt các tổ chức bệnh. Đây là phươ ng pháp chủ yếu trong điều tr ị ung thư. Mục tiêu là

phải đưa đượ c một liều xạ mạnh để tiêu diệt tế bào ung thư mà không ảnh hưở ng đến

tế bào lành, do vậy phải chiếu phân đoạn thành nhiều liều nhỏ và chiếu từ nhiều phía.

Ví dụ: Sử dụng tác dụng sinh học của tia Gamma từ nguồn Co60 hay tia X từ

máy gia tốc vòng,...để điều tr ị nhiều loại ung thư như ung thư vòm họng, ung thư vú,

ung thư bàng quang...

+ Điều tr ị áp sát: Dùng dao Gamma để điều tr ị các bệnh máu hay điều tr ị các

tổ chức ngoài da (u máu nông) bằng tấm áp P32. Phươ ng pháp đưa nguồn tớ i sát vị trí

cần chiếu qua một hệ thống ống dẫn gọi là phươ ng pháp điều tr ị áp sát nạ p nguồn sau.

Ví dụ: điều tr ị áp sát để điều tr ị nhiều loại ung thư, đặc biệt ung thư ở các

hốc tự nhiên của cơ thể như ung thư tr ực tràng, ung thư cổ tử cung,...

+ Điều tr ị chiếu trong (điều tr ị bằng nguồn hở ).

Nguyên lý của phươ ng pháp: dựa trên định đề Henvesy (1934): Cơ thể sống

không phân biệt các đồng vị của cùng một nguyên tố. Điều đó có ngh ĩ a là khi đưa

vào cơ thể sống các đồng vị của cùng 1 nguyên tố thì chúng cùng tham gia vào các

phản ứng sinh học và cùng chịu chung 1 số phận chuyển hoá. Vì vậy, khi biết 1

nguyên tố hoá học hoặc 1 chất nào đó tham gia vào quá trình chuyển hoá ở 1 tổ

chức hoặc 1 cơ quan nào đó của cơ thể, thuốc phóng xạ tậ p trung tại tổ chức bệnh sẽ

phát huy tác dụng điều tr ị.Ví dụ:

- Điều tr ị các bệnh lý tuyến giáp tr ạng (Basedow, ung thư,....) bằng I-131.

Phươ ng pháp này sử dụng tác dụng sinh học của bức xạ β của nguồn phóng xạ để

tiêu diệt tế bào tuyến giáp. Do tuyến giáp háo iode, nên khi bệnh nhân đượ c uống

iode phóng xạ, thuốc sẽ tậ p trung tại tuyến giáp và tổ chức di căn để diệt tế bào

bệnh. Bức xạ β có quãng đườ ng đi trong mô ngắn cỡ vài cm, do đó chỉ có tác dụng

tại chỗ mà không ảnh hưở ng đến tế bào lành xung quanh.

- Điều tr ị giảm đau do di căn ung thư xươ ng bằng P-32, Sr-89, Sm-153....

Đây là phươ ng pháp điều tr ị giảm đau hiệu quả, không gây nghiện, tác dụng của

thuốc kéo dài.

- Ngoài ra, dượ c chất phóng xạ còn đượ c dùng để điều tr ị nhiều bệnh lý khác.

Như các bệnh máu (đa u tuỷ,bệnh bạch huyết, bệnh đa hồng cầu...) hay một số ung

thư không có chỉ định phẫu thuật và hoá tr ị liệu...




261

18.2.3. An toàn phóng xạ

Nhiệm vụ cơ bản của công tác an toàn phóng xạ là đảm bảo an toàn cho

ngườ i sử dụng, ngườ i đượ c sử dụng cũng như đảm bảo sự trong sạch của môi

tr ườ ng về phươ ng diện phóng xạ.

Tại các cơ sở điều tr ị ung thư bằng tia xạ, nguồn phóng xạ chủ yếu là nguồnkín (nguồn Coban-60, máy gia tốc...) thì vấn đề an toàn là đề phòng nguy cơ bị

chiếu ngoài.

Tại các cơ sở y học hạt nhân, chúng ta tiế p xúc chủ yếu vớ i các nguồn phóng

xạ hở (dạng nướ c, dạng bột hay dạng khí). Khi làm việc vớ i các nguồn phóng xạ hở ,

ngoài việc đề phòng nguy cơ bị chiếu ngoài như khi làm việc vớ i các nguồn phóng

xạ kín còn phải đề phòng nguy cơ bị các chất phóng xạ xâm nhậ p vào bên trong cơ

thể (nhiễm xạ trong).

18.2.3.1. Các nguyên t ắc làm vi ệc v ớ i ngu ồn phóng x ạ kín

Nguồn phóng xạ kín là nguồn có k ết cấu kín và chắc chắn không để chất

phóng xạ lọt ra ngoài môi tr ườ ng khi sử dụng, bảo quản và cả khi vận chuyển các

nguồn bức xạ kín như các nguồn Co60 , Cs137 , kim Radi để điều tr ị ung thư. Vì vậy

khi làm việc vớ i nguồn kín cần tuân thủ các biện pháp chống chiếu ngoài sau:

* Giảm thờ i gian tiếp xúc vớ i bứ c xạ.

Rút ngắn thờ i gian tiế p xúc vớ i phóng xạ là biện pháp đơ n giản nhưng r ất có

hiệu quả để giảm liều chiếu. Vì vậy nhân viên thạo nghề là yếu tố quan tr ọng để giảmthờ i gian tiế p xúc vớ i phóng xạ. Muốn vậy, nhân viên phải luyện tậ p thao tác r ất thành

thạo và chuẩn bị k ĩ lưỡ ng tr ướ c khi bắt đầu công viêc tiế p xúc vớ i phóng xạ.

* Tăng khoảng cách từ nguồn tớ i ngườ i làm việc

Đây là một biện pháp đơ n giản và đáng tin cậy vì cườ ng độ bức xạ giảm tỷ lệ

nghịch vớ i bình phươ ng khoảng cách. Thườ ng dùng các thiết bị thao tác từ xa.

Trong những cơ sở đặc biệt có sử dụng nguồn bức xạ có hoạt tính cao, thườ ng dùng

ngườ i máy hoặc các thiết bị điều khiển tự động (máy xạ tr ị).

* Che chắn bứ c xạ

Khi không thể kéo dào khoảng cách hơ n nữa hoặc thấy chưa an toàn ngườ i ta

dùng các tấm chắn để hấ p thụ một phần năng lượ ng của bức xạ. Thông thườ ng,

ngườ i ta chia làm 5 loại tấm chắn như sau:




262

- Tấm chắn dạng bình chứa (côngtennơ ): chủ yếu dùng để bảo quản và vận

chuyển chất phóng xạ trong tr ạng thái không làm việc.

- Tấm chắn là thiết bị (glove box, tủ hoot): bao bọc toàn bộ nguồn phát trong

tr ạng thái làm việc của nhân viên và thườ ng di động trong một vùng hoạt động lớ n

(tấm chì di động, gạch chì,...).- Tấm chắn bộ phận của các công trình xây dựng: tườ ng, tr ần, cửa nhà của

phòng máy phải đượ c thiết k ế đặc biệt để bảo vệ cho các phòng lân cận.

- Màn chắn bảo hiểm cá nhân: như áo chì, kính chì, quần áo, găng tay, ủng

pha chì để bảo vệ nhân viên và bệnh nhân trong quá trình chẩn đoán và điều tr ị

bằng tia xạ.

Nguyên li ệu dùng che ch ắn phóng x ạ

- Vớ i tia γ, nguyên liệu tốt nhất để giảm năng lượ ng là chì. Nhưng có thể

dùng gang, bêtông tr ộn Barit, bêtông cốt sắt để giảm giá thành.

Ngoài ra, nướ c và gạch có thể dùng để cản tia nhất là chùm hạt nơ tron.

- Vớ i tia β, vật liệu thườ ng dùng ở đây là thuỷ tinh thườ ng, thuỷ tinh hữu cơ

pha chì, chất dẻo, nhôm.

Suất liều và các dạng bức xạ quyết định việc lựa chọn nguyên liệu và chiều

dày màn chắn.

18.2.3.2. Các nguyên t ắc làm vi ệc v ớ i ngu ồn b ứ c x ạ h ở

* K ỹ thuật an toàn bứ c xạ đối vớ i nhân viên làm việc

Nhân viên làm việc tại các cơ sở y học hạt nhân cần hết sức chú tr ọng tránh

nguy cơ nhiễm xạ nhỏ nhưng thườ ng xuyên. Cần tuân theo những quy tắc sau:

- Giữ sạch sẽ tuyệt đối các diện tích làm việc.

R ải giấy thấm trên mặt bàn khi thao tác vớ i phóng xạ, để thấm ngay đượ c

chất phóng xạ r ơ i r ớ t.

- Tuyệt đối không ngậm miệng hút các pipet, phải dùng một cách có hệ

thống quy trình thao tác có khoảng cách.

- Thao tác vớ i phóng xạ phải giữ khoảng cách thích hợ p, tận dụng các

phươ ng tiện cản tia và cất ngay nguồn vào kho sau khi thao tác xong.




263

- Thay quần áo trong phòng sạch (không có hoạt tính) đã quy định. Không

mang các đồ dùng cá nhân vào phòng thao tác vớ i phóng xạ.

- Không hút thuốc, không ăn uống tại các phòng có thao tác vớ i chất phóng

xạ, vì đây là một cách gây nhiễm xạ quan tr ọng.

- Thực hiện các biện pháp kiểm tra: đếm số lượ ng các tế bào máu 6 tháng

một lần; mang liều lượ ng k ế cá nhân (phim hoặc bút), kiểm tra cách thao tác, kiểm

tra mức độ sạch phóng xạ của quần áo, dụng cụ….

* Bảo vệ bệnh nhân

Mục tiêu chính là tránh cho bệnh nhân những chiếu xạ không cần thiết và

hạn chế liều ở mức thấ p nhất nhưng vẫn đảm bảo đượ c yêu cầu chẩn đoán và điều

tr ị. Nguyên tắc:

- Chỉ định đúng: cân nhắc k ỹ, tránh những kiểm tra không cần thiết, tránh

dùng chất phóng xạ cho phụ nữ có thai, nghi có thai hoặc đang cho con bú tr ừ khi

có chỉ định lâm sàng bắt buộc. Chỉ dùng cho tr ẻ em khi không có biện pháp khác

thay thế và hoạt tính phóng xạ phải giảm theo quy định.

- Tận giảm liều chiếu: máy móc thiết bị chụ p chiếu phải đảm bảo thông số k ỹ

thuật, đảm bảo chất lượ ng phim chụ p, khư trú tr ườ ng nhìn trong chụ p chiếu ở mức

tối thiểu cần thiết.

- Bảo vệ các cơ quan nhạy cảm vớ i phóng xạ của cơ thể (tuyến sinh dục,

thuỷ tinh thể, tuyến giáp, tuyến vú…) cần đượ c che chắn bằng dụng cụ bảo vệ

thích hợ p (tạ p dề cao su chì, găng tay cao su chì, áo choàng bảo vệ, bình phong

chì) khi chụ p chiếu.

- Bệnh nhân đượ c dùng phóng xạ để điều tr ị cần nằm trong phòng riêng,

buồng bệnh đượ c r ải chất liệu dễ tẩy r ửa phòng khi bệnh nhân nôn hoặc đánh đổ

chất phóng xạ ra nền nhà hoặc bàn ghế.

- Bệnh nhân đượ c phép ngoại trú, nếu:+ Tổng liều đưa vào dướ i 30 mCi.

+ Đo xạ cách bệnh nhân 1 m, suất liều dướ i 5 mR/h.




264

Chươ ng 19BỨ C XẠ R Ơ NGHEN (TIA X) VÀ Ứ NG DỤNG

19.1. HIỆN TƯỢ NG BỨ C XẠ TIA X VÀ Ứ NG DỤNG TRONG Y HỌC

19.1.1. Khái niệm

Năm 1995 nhà bác học R ơ nghen ngườ i Đức trong quá trình nghiên cứu sự

phóng điện trong khí kém đã phát hiện một tia có khả năng đâm xuyên qua lớ p vật

chất mỏng, làm đen kính ảnh, trong khi mắt ngườ i lại không nhận biết đượ c. Lúc

đầu do chưa hiểu rõ bản chất của tia này nên R ơ nghen đặt tên cho nó là tia X, sau

này để ghi nhớ công lao ngườ i đã phát hiện ra, ngườ i ta gọi đó là tia R ơ nghen.

Quá trình nghiên cứu R ơ nghen và cộng sự nhận thấy: tia X đượ c phát ra từ

vật r ắn khi vật đó bị bắn phá bở i một chùm electron có năng lượ ng lớ n và có bản

chất là sóng điện từ có bướ c sóng trong khoảng 10-12- 10-8m. Ngoài ra, các nghiên cứu tiế p theo còn cho thấy: ngoài tính chất sóng như

ánh sáng tia X còn có tính chất hạt qua các quá trình tươ ng tác của nó vớ i vật chất.

Cho đến nay tia X đượ c hỉểu là một loại ánh sáng bao gồm hai thuộc tính

sóng và hạt, bản chất là sóng điện từ vớ i bướ c sóng trong khoảng 10-12- 10-8m.

19.1.2. Nguồn phát xạ tia X

Có 2 loại bóng phát tia X:

- Bóng khí kém (Crooker) hay ion đ iện t ử :

Điện tử phát sinh do một số ion của khí còn lại trong bóng đánh vào âm cực.

Như vậy bóng này khi nào cũng phải có một ít khí, nếu khí còn quá ít bóng sẽ

không sử dụng đượ c.

Hạn chế của bóng này là cườ ng độ của bóng thấ p và khi hết khí ngườ i ta phải

bơ m khí vào.

- Bóng chân không (Cooligde) hay bóng âm cự c cháy đỏ:

Điện tử phát sinh khi âm cực đượ c đốt nóng ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ tại âm cực

càng cao thì nhiệt điện tử sinh ra càng nhiều, do đó cườ ng độ chùm tia X càng lớ n.Điện thế giữa 2 cực càng cao thì tốc độ nhiệt điện tử càng lớ n, bướ c sóng

chùm tia X càng nhỏ hay độ đâm xuyên của chùm tia càng lớ n. Do có thể dễ dàng

điều chỉnh đượ c cườ ng độ và độ đâm xuyên của chùm tia X nên ngày nay tất cả các

máy X quang trong y tế đều sử dụng nguồn phát tia là bóng chân không.




265

19.1.2.1. C ấ u t ạo c ủa máy phát tia X

Gồm 4 bộ phận chính như sau:

* Bóng phát tia X

- Là một bóng thuỷ tinh đã rút

gần hết không khí, trong bóng có:

+ Katot (K): là một sợ i dây

Vonfram sẽ đượ c đốt nóng bằng dòng

điện hạ thế có I= 3-5A, khi Katot nóng ≥

20000 C thì sẽ tr ở thành nguồn phát nhiệt

điện tử.

+ Anot (A): là một tấm kim loại, thườ ng làm bằng Tungsten có nhiệt độ nóng

chảy cao, có vai trò kìm hãm các điện tử đã đượ c gia tốc từ Katot bắn sang.- Bóng phát tia X đượ c đựng trong một vỏ bằng chì, chỉ có một “cửa sổ’’ để

cho chùm tia X cần dùng đi qua.

* Nguồn đ iện

Nguồn điện là một máy biến thế gồm 2 phần:

+ Cuộn sơ cấ p: nối vào điện lướ i 220v

+ Cuộn thứ cấ p: gồm 2 cuộn, một cuộn tạo nên điên thế ≈ 6v dùng để đốt

nóng Katot, một cuộn tăng thế > 100 kv (có thể đến 300kv) tác dụng vào Anot vàK.atot.

* Các thiế t bị đ iề u khiể n đ iện thế và cườ ng độ dòng đ iện

+ K 1: điều chỉnh cườ ng độ dòng điện đốt nóng Katot

+ K 2: điều chỉnh điện áp tác dụng vào Anot và Katot.

* Bộ phận l ọc và định hướ ng tia X

- Bộ phận lọc tia X:

+ Đượ c làm bằng một tấm kim loại pha chì gắn vào bóng X quang, phíatr ướ c cửa sổ có tia X phát ra.

+ Tác dụng: để có chùm tia X tươ ng đối đơ n sắc. Tia X càng đơ n sắc, khi

chiếu chụ p thì hình ảnh càng rõ nét hơ n.

- Bộ phận định hướ ng tia X:

Hình 19.1




266

+ Đượ c làm bằng những ống kim loại có hình tr ụ hoặc hình nón, thườ ng

đượ c k ết hợ p vớ i bộ phận lọc tia X đặt trong một hộ p tr ướ c bóng X quang.

+ Tác dụng: khu trú, hướ ng chùm tia X vào đúng bộ phận cần chụ p và giảm

diện tích của cơ thể bị chiếu.

19.1.2.2. Nguyên lý phát x ạ tia X

Chùm tia X phát ra từ Anot của bóng phát tia X theo hai cơ chế: phát bức xạ

hãm và bức xạ đặc tr ưng.

- Bức xạ hãm: xuất hiện khi có một chùm electron có động năng đủ lớ n đến

đậ p lên Anot. Do tác dụng bở i tr ườ ng giữa hạt nhân và các lớ p vỏ electron của

nguyên tử chất làm Anot nên các electron bị làm chậm lại (bị hãm). Vì bị hãm các

electron mất một phần năng lượ ng, phần năng lượ ng mất đi đó đượ c phát ra dướ i

dạng sóng điện từ đó chính là tia X hãm.- Bức xạ đặc tr ưng: tia X đặc tr ưng xuất hiện khi các electron bắn ra từ Catot

có động năng khá lớ n xuyên sâu vào những lớ p bên trong của vỏ nguyên tử làm bật

các electron từ các lớ p vỏ bên trong ra khỏi nguyên tử thì lậ p tức có các electron ở

mức năng lượ ng cao hơ n nhảy về chiếm chỗ đồng thờ i phần năng lượ ng dư thừa

phát ra dướ i dạng sóng điện từ đó chính là tia X đặc tr ưng.

19.1.3. Tính chất của tia X

- Tia X có đầy đủ tính chất của ánh sáng như truyền thẳng, phản xạ, nhiễu xạ,khúc xạ và giao thoa...

- Tia X có cườ ng độ lớ n do đó có khả năng đâm xuyên qua môi tr ườ ng vật chất.

- Tia X có khả năng ion hoá các chất khí.

- Tia X có khả năng gây phát quang một số muối.

Ví dụ: muối NaCl, KCl, Platino cyanua Bari…vì vậy các muối này đượ c sử

dụng trong việc chế tạo màn huỳnh quang, bìa tăng quang.

- Tia X có khả năng gây ra các phản ứng hỗn hợ p làm biến màu một số muối.

Ví dụ muối bạc (màu tr ắng) dướ i tác dụng của tia X chuyển thành màu đen.

Ngườ i ta sử dụng tính chất này làm phim chụ p.




267

19.1.4. Ứ ng dụng của tia X trong y học

19.1.4.1. Trong ch ẩ n đ oán

* Có 2 ph ươ ng pháp:

- Chiếu X quang: hình ảnh của tổ chức đượ c phản ánh trên màn huỳnh quang. Trong

phươ ng pháp này nhân viên X quang ngồi sau màn hình và quan sát hình ảnh phủ

tạng bệnh nhân trên màn hình. Hình ảnh cần phải liên tục trong khoảng 30 s hoặc

hơ n nữa.

Ngày nay vớ i việc áp dụng màn tăng sáng, hình ảnh sẽ đượ c tăng độ đậm

nhạt, hình ảnh rõ nét hơ n và giảm đượ c liều chiếu xạ cho bệnh nhân và cho nhân

viên. Đặc biệt, khi hình ảnh truyền qua một máy thu hình, cán bộ X quang có thể

ngồi tại một phòng khác, đượ c che chắn tốt mà vẫn chẩn đoán đượ c qua hình ảnh.

- Chụ p X quang: hình ảnh của tổ chức đượ c phản ánh trên phim X quang.Thườ ng có 2 phươ ng pháp đượ c ứng dụng trên lâm sàng: Chụ p X quang thườ ng và

chụ p cắt lớ p vi tính (CT scanner).

+ Chụ p X quang thườ ng: hình ảnh của các bộ phận đượ c phản ánh một cách

đơ n giản hoặc bị chồng lấ p, không thấy hết đượ c kích thướ c,chiều sâu,độ lớ n của

các bộ phận và các tổn thươ ng trong cơ thể,thườ ng để phát hiện các tổn thươ ng

xươ ng và tổ chức cản quang.

+ Chụ p cắ t l ớ p:Một nguồn X quang chiếu qua ngườ i bệnh tớ i hệ thống các đầu dò có định

hướ ng. Hệ thống đầu dò đượ c quay quanh cơ thể, hình ảnh thu đượ c sẽ là hình ảnh

cắt lớ p, phươ ng pháp này làm rõ đượ c các chi tiết mà trong chụ p X quang thông

thườ ng bị chồng lấ p, vì vậy có thể phát hiện đượ c những khối u ở sâu.

* Nguyên t ắc t ạo hình ảnh: trên màn huỳnh quang và trên phim đượ c trình bày qua

mô hình sau:

321

Hình 19.2




268

Trong đó: (1) là máy phát tia X.

(2) là bộ phận cần chụ p chiếu.

(3) là bộ phận hiện hình ảnh.

- Chùm tia X do máy (1) phát ra xuyên qua một bộ phận của ngườ i bệnh (2)

sẽ đậ p vào màn chắn (3) (màn huỳnh quang hoặc tấm phim).

- Do hiện tượ ng hấ p thụ, khi qua (2) chùm tia X sẽ bị tổ chức hấ p thụ không

đồng đều k ết quả là các điểm khác nhau trên màn chắn (3) sẽ bị chùm tia X tác động

vớ i một cườ ng độ khác nhau do vậy sẽ tạo nên những vùng sáng tối khác nhau.

- Ngoài ra, trong k ỹ thuật X quang ngườ i ta còn sử dụng các chất tăng quang

và cản quang để làm tăng hiệu quả của hình ảnh thu đượ c.

Từ nguyên tắc trên ta thấy:

+ Trong chiếu X quang: khối (3) là màn huỳnh quang thì vùng nào hấ p thụ nhiều tia X ảnh vùng đó sẽ tối; cụ thể xươ ng, tim đen hơ n vùng phổi, cơ .

+ Trong chụ p X quang: khối (3) là tấm phim chụ p đượ c k ẹ p giữa hai màn

tăng quang trong một hộ p dẹt đượ c gọi là Cát-xét. Trên phim chụ p X quang, những

vùng hấ p thụ nhiều tia X sẽ có hình tr ắng (như xươ ng, tim) còn những vùng hấ p thụ

ít tia X sẽ có hình đen (như phổi, cơ ).

19.1.4.2. Tr ong đ i ều tr ị

Tia X đượ c ứng dụng chủ yếu trong điều tr ị những bệnh nhân bị ung thư.Dựa vào tác dụng sinh vật của tia X có khả năng diệt bào mà ngườ i ta áp dụng vào

một phươ ng pháp điều tr ị có tên: X ạ tr ị.

Xạ tr ị đượ c dùng chủ yếu trong điều tr ị ung thư. Do tế bào ung thư có độ

nhạy cảm phóng xạ lớ n hơ n tế bào lành, do đó dùng tia X chiếu vào các khối u ác

tính để làm biến đổi tr ạng thái hoạt động, hạn chế sự phát triển dẫn đến tiêu diệt

hoàn toàn các tế bào ung thư. Mục tiêu là phải đưa đượ c một liều xạ mạnh vào nơ i

ung thư mà không gây thươ ng tổn cho mô lành xung quanh.

Yêu cầu phải đạt tớ i liều hấ p thu vài chục Gray và phải chiếu phân đoạn thành

nhiều liều nhỏ. Chiếu phân đoạn là r ất cần thiết, vừa ít gây tai biến, vừa nâng cao hiệu

lực điều tr ị. Phươ ng pháp đơ n giản là dùng X quang khoảng 200 kV, nhưng khi khối

u ở hơ i sâu thì phần da sẽ bị chiếu vớ i liều cao hơ n ở khối u. Trong tr ườ ng hợ p này

nên dùng bức xạ mạnh có khả năng xuyên sâu, ví dụ: X quang năng lượ ng cao

khoảng 6 MeV.




269

Bên cạnh việc chọn năng lượ ng thích hợ p, cần giảm bớ t liều chiếu xạ ở mô

lành bằng cách chiếu từ nhiều phía, hướ ng vào khối u. Vớ i những máy hiện đại, có

thể dùng nguồn xạ quay liên tục quanh khối u để điều tr ị. Như vậy khối u bị chiếu

liên tục nhưng liều ở phần mềm lành bên ngoài đượ c dàn tr ải nên liều xạ từng chỗ

không lớ n.19.2. K Ỹ THUẬT CHỤP CẮT LỚ P VI TÍNH VÀ Ứ NG DỤNG

19.2.1. Đại cươ ng về k ỹ thuật chụp cắt lớ p vi tính

Máy chụ p cắt lớ p vi tính (Computer Tomography Scanner) do nhà vật lý

ngườ i M ĩ A.M. Cormark và k ỹ sư ngườ i Anh G.M. Hounsfield phát minh năm

1971. Đến năm 1979 phát minh của 2 ông đượ c nhận giải Nobel về y học.

Hình chụ p sọ não đầu tiên bằng k ỹ thuật chụ p cắt lớ p đượ c tiến hành năm

1971 tại một bệnh viện ở Luân đôn vớ i thờ i gian chụ p và tính toán một quang ảnhkhoảng 2 ngày. Đến năm 1974 Ledley (M ĩ ) hoàn thành chụ p cắt lớ p vi tính toàn

thân đầu tiên vớ i thờ i gian có một quang ảnh là vài phút. Hiện nay, có nhiều máy

chụ p cắt lớ p hiện đại vớ i thờ i gian cho một quang ảnh từ 1/10 đến 1/30 giây.

Tại Việt Nam, máy chụ p cắt lớ p đầu tiên đượ c lắ p đặt vào tháng 2 năm 1991

tại Bệnh viện Hữu Nghị Việt Xô (Hà Nội). Hiện nay, có r ất nhiều máy chụ p cắt lớ p

đượ c lắ p đặt trong các cơ sở y tế khắ p cả nướ c giúp cho các thầy thuốc dễ dàng hơ n

trong chẩn đoán bệnh tật.

19.2.2. Nguyên lý tạo hình trong chụp cắt lớ p

Mục đích của phươ ng pháp này là làm rõ nét hình ảnh của một lớ p mỏng nào

đó của một bộ phận trong cơ thể, còn các lớ p khác thì bị xoá nhoà đi.

Hình bên trái bố trí

thiết bị đứng yên, ta đứng

nhìn bệnh nhân từ phía đầu

bệnh nhân: S là nguồn phát tia

(thí dụ bóng phát tia X), F là

hộ p phim, BN là bệnh nhân. S

và F đượ c gắn vào hai đầu

thanh kim loại PP. Thanh này

có thể quay quanh một tr ục ở Hình 19.3




270

B’, khi ấy S sẽ di chuyển sang trái (hoặc sang phải), còn hộ p phim F sẽ di chuyển

theo chiều ngượ c lại, khoảng cách h1 và h2 không đổi. Bệnh nhân nằm yên.

Trong hình 19.3, khi S bắt đầu phát tia, ở vị trí S1, lớ p cắt cần chụ p là lớ p

LL’, C nằm ngoài. Hình ảnh tạo ra tươ ng ứng là A1, B1, C1 trên phim. Khi nguồn S

di chuyển đến vị trí S2, các tia cho ta hình ảnh A2, B2, C2 nhưng bây giờ A2, B2 vẫn

trên phim, đúng vị trí cũ A1, B1 còn C2 đi ra ngoài phim.

Thật vậy:

Do Δ S1AB - Δ S1A1B1 và Δ S2AB - Δ S2A2B2 ta có:

1 1

AB

A B = 1

1 2

h

h +h =

2 2

AB

A B -> A1B1 = A2B2 (19.1)

Tại mọi vị trí của S khi di chuyển từ S1đến S2 ta đều có hình ảnh AB (của lớ p

cắt LL’) đúng một vị trí trên phim, còn các hình ảnh của các phần tử khác khôngnằm trên LL’ sẽ di chuyển , tạo hình ảnh mờ nhạt lam nền phim, k ết quả là ta có

hình ảnh rõ nét của một lớ p cắt trên phim.

19.2.3. Chụp cắt lớ p dùng vi tính (CTS - Computer Tomography Scanner)

Trong CT Scanner, thay cho hộ p phim X quang F ở hình 8.3 là một hộ p đầu

dò (detector) có hàng vạn đầu dò nhỏ sắ p xế p thành các ô nhỏ, mỗi ô nhỏ có một đầu

dò khi bị chiếu tia sẽ cho tín hiệu điện truyền về bộ xử lý. Ngườ i ta có thể thay các

đầu dò này bằng tinh thể nhấ p nháy lỏng. Các hệ thồng này có độ nhạy r ất cao, đượ c

khuyếch đại, đưa vào bộ nhớ máy tính, xử lý r ồi đưa sang phần hiện hình (tươ ng tự

nhờ camera thu hình, khuyếch đại, xử lý r ồi truyền đến máy thu hình gia đình).

Để tr ợ giúp cho tạo hình cắt lớ p rõ nét, ngườ i ta làm phần mềm máy vi tính

bằng cách thu thậ p số liệu từ việc chiếu một số mô hình ngườ i vớ i các giả định khác

nhau như khối u ở dạ dày, có khối u ở não, hang lao ở phổi... Nhờ xử lý hình ảnh

bằng máy vi tính mà ta có các hình ảnh của các lớ p theo những lớ p cắt ngang, cắt

dọc khác nhau, ta có thể thấy rõ ràng những điểm bất thườ ng trong cơ thể mà vớ i

phươ ng pháp X quang thườ ng không thấy đượ c. Nhờ bộ nhớ của máy vi tính mà

ngườ i thầy thuốc dễ dàng tái hiện lại các hình ảnh cần khảo sát.

* Đặc đ i ể m hình ảnh trong k ỹ thu ật ch ụp c ắt l ớ p vi tính:

- Máy chụ p cắt lớ p vi tính cho phép phân biệt đượ c sự khác biệt r ất nhỏ của

những tổ chức có tỷ tr ọng khác nhau. Ví dụ: khi chụ p sọ não có thể phân biệt đượ c




271

r ất rõ chất tr ắng, chất xám, buồng não thất, các khối u, các ổ apxe, các ổ chảy máu...

à phim Xquang thông thườ ng không phân biệt đượ c

- Nếu mở cửa sổ r ộng tối đa thì xươ ng có hình tr ắng, không khí có hình đen,

nướ c có hình xám và có độ tươ ng phản hình của CTS tốt dễ phân tích.

- Đối vớ i máy Xquang thườ ng qui, tất cả thông tin nằm trên phim, còn trongCTS thì toàn bộ thông tin trong bộ nhớ và ngườ i điều khiển chỉnh lý máy để chọn

hình ảnh có ý ngh ĩ a chẩn đoán. Khi cần thiết, ngườ i thầy thuốc có thể làm hiện lại

hình ảnh của các bộ phận chụ p của bệnh nhân.

- Giống trong Xquang, đôi khi trong CTS bệnh nhân còn đượ c uống hoặc

tiêm thuốc cản quang để làm nổi bật sự đối quang.

19.2.4. An toàn bứ c xạ đối vớ i tia X

19.2.4.1. B ảo v ệ cho cán b ộ nhân viên

* Giảm t ố i đ a sự tiế p xúc vớ i bứ c xạ:

- Tr ướ c khi tiến hành chụ p chiếu, phải chắc chắn là các cửa phòng X quang

đã đượ c đóng kín.

- Không để chùm tia X r ọi vào các cửa sổ của phòng, hoặc tr ực tiế p r ọi vào

tườ ng, tr ừ tr ườ ng hợ p đặc biệt.

- Tất cả nhân viên khi làm việc nếu không đứng sau tấm chắn thì phải mặc áo

bảo vệ và khi cần thiết phải đeo găng tay.

- Các thiết bị che chắn của máy X quang cố định cũng như X quang cơ động

đều phải bố trí sao cho có thể che chắn tốt nhất chống bức xạ khuếch tán.

- Cán bộ nhân viên X quang nếu cần giữ bệnh nhân trong khi chiếu chụ p, cần

mặc áo bảo vệ, đeo găng tay, đứng sang một bên tránh bị máy phát tia X r ọi vào

tr ực tiế p.

- Thiết bị X quang đã bị hư hỏng thì không đượ c dùng, chỉ khi nào kiểm tra

lại thấy đạt tiêu chuẩn mớ i đượ c sử dụng.

* Yêu cầu đặc biệt vớ i máy X quang cơ động:

Khi máy X quang cơ động đượ c đưa ra khỏi khoa X quang đến một buồng bệnh nào đó thì phải tuân theo những nguyên tắc sau đây:

- Phải kiểm tra hướ ng và kích cỡ của chùm tia X.

- Phải thiết k ế che chắn ngay tại nơ i máy sẽ hoạt động.

- Phải đảm bảo tia X không chiếu vào những bệnh nhân khác trong buồng

bệnh (tr ực tiế p hoặc tán xạ).




272

- Ngườ i điều khiển máy phải cách xa nguồn bóng phát xạ tối thiểu 2 mét và

phải mặc quần áo bảo vệ.

* Chế độ kiể m tra theo dõi:

Nhân viên cần đeo phim hoặc một thiết bị đo liều (bút đo, các thiết bị đo

bằng nhiệt huỳnh quang...) trong tất cả thờ i gian làm việc.

Khi mặc quần áo bảo vệ, thiết bị đo liều cần phải đo cài đặt ở phía trong của

áo bảo vệ. Nếu nhân viên làm việc phải kiểm tra X quang cho bản thân thì phải tháo

thiết bị đo liều ra khỏi ngườ i.

Nếu là nhiệt huỳnh quang thì phải gửi về trung tâm kiểm tra đọc k ết quả theo

định k ỳ, nếu là loại bút đo liều tự đọc đượ c thì cần ghi chép từng tháng sau đó lại

đưa về số không để tiế p đo cho tháng sau.

19.2.4.2. B ảo v ệ cho b ệnh nhân

* Nguyên tắc chung:

Điểm khác nhau cơ bản giữa ngườ i bệnh và nhân viên là ngườ i bệnh đượ c

nhiều ích lợ i trong khi chiếu chụ p X quang: hiểu đượ c bệnh tật ở trong cơ thể để có

phươ ng hướ ng xử lý điều tr ị và như vậy X quang mang lại lợ i ích cho ngườ i bệnh

nhiều hơ n là gây hại.

Nếu thấy chiếu chụ p X quang không cần thiết bằng các xét nghiệm khác thì

không nên dùng X quang. Chỉ dùng X quang khi nào thấy tốt hơ n các biện pháp

chẩn đoán khác đối vớ i tr ườ ng hợ p bệnh lý đó. Cần cân nhắc lợ i hại đối vớ i tr ẻ em

và phụ nữ có thai khi dùng X quang.

* Biện pháp cụ thể.

+ Giảm thiể u sự tiế p xúc vớ i phóng xạ:

- Nên dùng những biện pháp và k ỹ thuật tốt nhất để hạn chế mức chiếu xạ cho

bệnh nhân.

- Nên chụ p ít phim nhất. Chụ p vớ i diện tích càng nhỏ càng tốt.

+ Phải hướ ng chùm tia X vào đ úng chỗ cần thiế t : tránh chiếu vào ngực và bộ

phận sinh dục.

+ Che chắ n: nếu có thể đượ c phải dùng chì (khoảng 1mm) che chắn vùng sinh

dục nếu phải khám xét ở những bộ phận lân cận. Tr ườ ng hợ p bị đa chấn thươ ng, lần




273

khám đầu tiên không đượ c che chắn vì nó có thể làm cho không phát hiện đượ c gẫy

xươ ng ở khu vực liên quan.

+ Khoảng cách tiêu cự t ố i đ a: ít nhất là 30 cm, càng xa càng tốt.

+ Chấ t l ượ ng bứ c xạ: tăng điện thế sẽ tăng sức đâm xuyên của tia X và như

vậy mức chiếu xạ sẽ giảm đi.

+ Lọc: là một biện pháp giảm những bức xạ năng lượ ng yếu và tăng đượ c

năng lượ ng trung bình của chùm tia X, giảm đượ c mức chiếu xạ cho bệnh nhân.

+ Chiế u tia X vớ i bệnh nhân có thai:

Chỉ sử dụng phươ ng pháp X quang cho bệnh nhân có thai khi không còn

phươ ng pháp nào thay thế, nếu phải chiếu chụ p X quang thì cố gắng che chắn và

giảm thiểu sự chiếu xạ vào thai.




274

Chươ ng 20

PHƯƠ NG PHÁP CỘNG HƯỞ NG TỪ HẠT NHÂN

20.1. C¬ së vËt lý cña ph− ¬ng ph¸p céng h− ëng tõ h¹t nh©n

20.1.1. M« men tõ h¹t nh©nH¹t nh©n nguyªn tö gåm cã hai lo¹i h¹t: proton vμ neutron. Proton lμ h¹t

mang ®iÖn tÝch d− ¬ng, vÒ gi¸ trÞ th× b»ng ®iÖn tÝch cña electron, nh− ng cã khèi l− îng

lín h¬n cì hai ngh×n lÇn khèi l− îng electron. Proton t− ¬ng tù nh− mét h¹t mang

®iÖn d− ¬ng tù quay trßn, cã m«men tõ. Neutron còng cã spin, còng cã m«men tõ, cã

thÓ xem neutron nh− mét qu¶ cÇu cã ®iÖn tÝch ph©n bè, tÝnh chung ra th× ®iÖn tÝch

b»ng kh«ng (neutron trung hßa ®iÖn) nh− ng

khi quay vÉn t¹o ra m«men tõ.

M«men tõ cña proton vμ cña neutron cã

chªnh lÖch nhau chót Ýt, nh− ng rÊt nhá, vμo cì

10-27 A.m2. H¹t nh©n cã thÓ cã nhiÒu proton vμ

neutron, m«men tõ cña h¹t nh©n lμ tæng hîp

(theo nh÷ng quy t¾c l− îng tö) cña m«men tõ

çc h¹t proton vμ neutron. Cã h¹t nh©n cã

m«men tõ lín, cã h¹t nh©n cã m«men tõ nhá ,

cã h¹t nh©n kh«ng cã m«men tõ. Nh− ng nãichung, m«men tõ cña h¹t nh©n nhá, chØ vμo

cì phÇn ngh×n m«men tõ cña vá electron

nguyªn tö. V× vËy ®iÒu kiÖn ®Ó cã céng

h− ëng tõ h¹t nh©n rÊt kh¸c víi ®iÒu kiÖn ®Ó

cã ®− îc céng h− ëng tõ electron.

Kh«ng nh÷ng thÕ, ng− êi ta cã thÓ thùc

hiÖn céng h− ëng tõ ®èi víi tõng lo¹i h¹t nh©n

nguyªn tö. ThÝ dô ®èi víi c¬ thÓ, ng− êi ta

th− êng ®Æc biÖt chó ý lμ h¹t nh©n cña nguyªn

tö hi®ro v× hi®ro lμ mét trong hai nguyªn tè

cÊu t¹o thμnh n− íc (H2O), mμ n− íc nãi chung

H¹t nh©n Sè proton Sè neutron1H 1 012C 6 613C 6 714 N 7 7

23 Na 11 1231P 15 1639K 20 20

H×nh 20.1. D− íi t¸c dông cña tõ

tr− êng→

0 B m«men tõ→

μ thùc hiÖn

chuyÓn ®éng Larmor.

→

μ

→

0B




275

lμ trong c¬ thÓ chç nμo còng cã. H¬n n÷a h¹t nh©n cña nguyªn tö hi®ro cho tÝn hiÖu

céng h− ëng tõ rÊt m¹nh.

H¹t nh©n cña nguyªn tö hi®ro rÊt ®¬n gi¶n: chØ cã mét h¹t proton, m«men tõ

cña h¹t nh©n hi®r« chÝnh lμ m«men tõ cña proton.

20.1.2. Céng h− ëng tõ h¹t nh©n

H¹t nh©n cã m«men tõ lμ →

μ khi n»m trong tõ tr− êng→

0 B , sÏ thùc hiÖn chuyÓn

®éng tuÕ sai (chuyÓn ®éng Larmor), tøc lμ ®Çu mót cña vect¬→

μ v¹ch nªn nh÷ng

®− êng trßn quanh ph− ¬ng cña→

0 B . Trªn h×nh

20.2 biÓu diÔn: d− íi t¸c dông cña tõ tr− êng→

0 B m«men tõ→

μ thùc hiÖn chuyÓn ®éng

Larmor.§©y lμ chuyÓn ®éng tuÇn hoμn, tÇn sè

phô thuéc vμo→

0 B vμ μ. Trong tr− êng hîp

proton, tÇn sè ®ã ®− îc tÝnh theo c«ng thøc

00 .. B g f p p μ = (h×nh 20.1)

TÝnh ra nÕu B0 b»ng 1T (Tesla) th×

proton cã tÇn sè Larmor lμ 42,58 MHz. Chó ý

lμ sãng v« tuyÕn cã tÇn sè 42,58 MHz lμ øngvíi b− íc sãng 7 m, cßn tõ tr− êng ë gi÷a hai

cùc cña mét nam ch©m vÜnh cöu m¹nh chØ vμo cì 0,2 T.

Nh− vËy h¹t nh©n n»m trong tõ tr− êng→

0 B trë thμnh mét hÖ dao ®éng víi tÇn

sè dao ®éng riªng lμ 0 f phô thuéc→

0 B . NÕu chiÕu thªm mét sãng ®iÖn tõ tÇn sè

ra®i« thÝch hîp, th× biÕn thiªn tõ tr− êng do sãng ra®i« t¹o ra cã thÓ lμm cho h¹t nh©n

dao ®éng céng h− ëng Trªn h×nh 20.2 biÓu diÔn tõ tr− êng xoay chiÒu→

1 B vu«ng gãc

víi Bo, quay quanh Bo víi tÇn sè gãc ω:→

1 B t¸c dông lªn m«men tõ μ lùc tuÇn hoμn

tÇn sè gãc ω, khi ω = ωo x¶y ra hiÖn t− îng céng h− ëng.

H×nh 20.2. Tõ tr− êng xoay chiÒu→

1 B vu«ng gãc víi Bo, quay quanh

Bo víi tÇn sè gãc ω :→

1 B t¸c dông

lªn m«men tõ m lùc tuÇn hoµn tÇnsè gãc ω , khi ω = ω o x¶y ra hiÖn

t − îng céng h− ëng .

→

0 B

→

1 B

→

μ




276

Cô thÓ trong tr− êng hîp tõ tr− êng

T B 10 = , ®Çu mót cña m«men tõ cña h¹t

nh©n hi®ro sÏ quay trßn víi tÇn sè

MHz f 58,420 = , nÕu chiÕu thªm vμo ®ã

sãng ra®i« víi b− íc sãng 7m (tøc lμ tÇn

sè 42,58 MHz) th× ®Çu mót cña m«men

tõ cña h¹t nh©n hi®ro sÏ quay còng víi

tÇn sè nh− tr− íc nh− ng biªn ®é lín h¬n,

m«men tõ cña pr«t«n nghiªng xa h¬n so

víi phu¬ng cña→

0 B , tøc lμ nghiªng

nhiÒu vÒ ph− ¬ng vu«ng gãc víi ph− ¬ng cña

→

0 B .

Nh− ng thùc tÕ, kh«ng ph¶i lμ thùc hiÖn céng h− ëng tõ dèi víi tõng h¹t nh©n

hi®ro riªng lÎ mμ lμ céng h− ëng tõ ®èi víi c¶ mét tËp hîp h¹t nh©n hi®ro trong mét

thÓ tÝch nμo ®ã, thÝ dô trong 1mm3 ë vá n·o. Do ®ã ta xÐt c¶ mét tËp hîp h¹t nh©n

trong tõ tr− êng vμ xÐt hiÖn t− îng céng h− ëng ®èi víi c¶ tËp hîp ®ã.

20.1.3. M«men tõ cña tËp hîp çc h¹t nh©n trong mét thÓ tÝch

NÕu xÐt mét tËp hîp çc nam ch©m nhá n»m trong tõ tr− êng cã chiÒu x¸c

®Þnh th× çc nam ch©m sÏ n»m quay däc theo tõ tr−

êng, m«men tõ cña çc namch©m nμy sÏ song song cïng chiÒu víi tõ tr− êng.

Nh− ng tËp hîp çc h¹t nh©n lμ tËp hîp çc h¹t vi m«, tu©n theo nh÷ng quy

luËt l− îng tö : khi n»m trong tõ tr− êng th× ®a sè çc h¹t nh©n sÏ cã m«men tõ quay

song song cïng chiÒu víi tõ tr− êng nh− ng vÉn cã nh÷ng h¹t nh©n cã m«men tõ song

song nh− ng ng− îc chiÒu víi tõ tr− êng, ng− êi ta gäi ®ã lμ nhòng m«men tõ ®èi song.

Çc phÐp tÝnh to¸n cho thÊy nÕu trong tõ tr− êng→

0 B tæng céng cã N h¹t nh©n

th× sÏ cã N1 h¹t nh©n cã m«men tõ song song vμ

N2 h¹t nh©n cã m«men tõ ®èi song.

(Trong tõ tr− êng Bo, N1 proton cã→

μ song song víi tõ tr− êng, N2 proton cã→

μ ®èi

song víi tõ tr− êng kT

B

N

N 0μ ≈

Δ, h×nh 20.3), N1 lu«n lín h¬n N2 vμ tØ sè chªnh lÖch

N

N N

N

N 21 −=Δ

cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc gÇn ®óng:

N2

N1 > N2

H×nh 20.3. Trong tõ tr− êng Bo, N 1

proton cã→

μ song song víi tõ tr− êng,

N 2 proton cã→

μ ®èi song víi tõ tr− êng

kT

B

N

N 0μ ≈

Δ






278

h¹t nh©n cã m«men tõ song song víi→

0 B vμ N2 h¹t nh©n cã m«men tõ ®èi song víi

→

0 B , vÒ mÆt tõ tÝnh xem nh− chóng khö nhau tõng ®«i mét, chØ cßn

621 10−Δ=− ~ N N N h¹t nh©n cã ®ãng gãp vμo m«men tõ tæng céng. Çc m«men

tõ kh«ng ph¶i n»m hoμn toμn song song víi tõ tr− êng ngoμi, chóng ®¶o rÊt nhanh

quanh ph− ¬ng tõ tr− êng nh− ng gãc nghiªng rÊt nhá. Ph©n tÝch m«men tõ→

μ cña h¹t

nh©n ra thμnh hai vect¬ : mét vect¬ song song víi→

0 B , ta kÝ hiÖu lμ →

μ // vμ mét

vect¬ vu«ng gãc víi→

0 B , kÝ hiÖu lμ →

⊥μ . Khi chØ cã→

0 B , cã thÓ xem cã Δ h¹t nh©n

cã m«men tõ h− íng vÒ→

0 B vμ ®¶o quanh→

0 B . Vect¬ tæng ∑ →

μ p kh¸ lín, cì gÇn

b»ng→

μΔ . N . Nh− ng vect¬ tæng ∑ →

⊥μ xem nh− b»ng kh«ng kh«ng ph¶i chØ lμ do gi¸

trÞ cña ⊥μ nhá mμ lμ do çc m«men tõ ®¶o quanh→

0 B , tuy cïng tÇn sè nh− ng kh«ng

®ång pha, çc vect¬→

⊥μ cã thÓ h− íng tr− íc, sau, ph¶i, tr¸i mét çch lén xén, céng

vect¬ l¹i chóng triÖt tiªu lÉn nhau. Nh− vËy, khi chØ cã tõ tr− êng ngoµi →

0 B , vect¬ tõ

ho¸ däc theo ph− ¬ng cña tõ tr− êng ngoμi

∑

→→

μ= // //

M cùc ®¹i, cßn vect¬ tõ ho¸

ngang ∑ →

⊥

→

⊥ μ= M b»ng kh«ng (h×nh 20.3).

Khi chiÕu sãng ra®i« cã tÇn sè b»ng tÇn sè ®¶o 0 f (hay tÇn sè gãcπ

ω 2

00

f = )

theo ph− ¬ng vu«ng gãc víi→

0 B , nh− ta ®· thÊy, cã céng h− ëng x¶y ra: vect¬ tõ

tr− êng→

1 B do sãng ra®i« (sãng ®iÖn tõ) t¹o ra, quay quanh→

0 B víi tÇn sè gãc 0ω t¸c

dông lªn m«men tõ →μ cña h¹t nh©n mét lùc tuÇn hoµn, lμm cho →μ nghiªng m¹nh

vÒ phÝa→

1 B vμ quay quanh→

0 B mét çch ®ång pha víi nhau. KÕt qu¶ lμ khi céng

h− ëng vect¬ tõ hãa ngang ∑ →

⊥

→

⊥ μ= M cùc ®¹i.




279

Cßn vect¬ tõ hãa däc, mét mÆt do→

μ nghiªng vÒ→

1 B nªn gi¸ trÞ cña→

μ // nhá

®i, mÆt kh¸c do hÊp thô céng h− ëng n¨ng l− îng sãng ra®i« cã thªm mét sè m«men

tõ cña h¹t nh©n quay vÒ phÝa ®èi song song, do ®ã N2 t¨ng lªn, N1 gi¶m xuèng,

21 N N N −=Δ gi¶m ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ lμ

khi céng h−

ëng vect¬ tõ ho¸ däc

∑ →→

μ= // // M b»ng kh«ng .

Khi t¾t sãng ra®i«, tËp hîp çc h¹t nh©n ®ang tõ tr¹ng th¸i céng h− ëng

chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i b×nh th− êng ban ®Çu. Ng− êi ta gäi ®ã lμ qu¸ tr×nh håi phôc.

Trong qu¸ tr×nh nμy, vect¬ tõ ho¸ däc→

// M cã ®é lín tõ gi¸ trÞ kh«ng trë vÒ gi¸ trÞ

cùc ®¹i, vect¬ tõ ho¸ ngang cã ®é lín tõ gi¸ trÞ cùc ®¹i→

⊥ M trë vÒ gi¸ trÞ kh«ng. Tuy

nhiªn thêi gian trë vÒ, tøc lμ thêi gian håi phôc T 1 ®èi víi vect¬ tõ ho¸ däc vμ thêi

gian håi phôc T 2 ®èi víi vect¬ tõ ho¸ ngang kh«ng nh− nhau, nãi chung T 1 > T 2.

NÕu quanh h¹t nh©n cã nhiÒu ph©n tö nhá (nhÑ), nh− ph©n tö n− íc H2O, viÖc

h¹t nh©n truyÒn n¨ng l− îng ®· hÊp thô sÏ l©u h¬n so víi khi quanh h¹t nh©n lμ

nh÷ng ph©n tö lín, cång kÒnh, thÝ dô víi ph©n tö cña çc chÊt mì, chÊt bÐo … Víi

çc tÕ bμo sinh häc, tïy theo chøa Ýt n− íc, nhiÒu n− íc, Ýt mì hay nhiÒu mì … T 1 thay

®æi tõ 300 ®Õn 2000 miligi©y.

Thêi gian håi phôc T 2 còng sÏ cã trÞ sè lín khi quanh h¹t nh©n lμ

n−

íc vμ

cãtrÞ sè nhá khi quanh h¹t nh©n lμ dÞch chøa çc ph©n tö lín hoÆc nhiÒu chÊt mì.

Nh− ng nãi chung, T 2 nhá h¬n T 1, th− êng thay ®æi tõ 30 miligi©y ®Õn 150 miligi©y vμ

so víi T 1 th× nh¹y c¶m víi cÊu tróc sinh häc h¬n.

Tãm l¹i nÕu xÐt vect¬ tõ hãa tæng céng→

⊥

→→

+= M M M // th× khi céng h− ëng

( 0=→

// M ,→

⊥ M cùc ®¹i) ®Çu mót cña→

v¹ch nªn vßng trßn trong mÆt ph¼ng vu«ng

gãc

→

0 B . Khi t¾t sãng ra®i«,

→

⊥ M võa quay trßn, võa co nhá l¹i, trong lóc ®ã

→

// M tõ

gi¸ trÞ b»ng kh«ng, lín dÇn lªn. Do ®ã ®Çu mót cña→

v¹ch nªn mét ®− êng xo¾n èc

nhá dÇn (H×nh 20.4).

VÒ nguyªn t¾c, nÕu ®Ó mét cuén d©y ®iÖn gÇn ®Êy th× biÕn thiªn tõ tr− êng do

→

g©y ra sÏ lμm thay ®æi tõ th«ng qua cuén d©y vμ sinh ra dßng ®iÖn c¶m øng




280

M¸y ph¸t RF vμ

m¸y ®o

MÉu

N S

→

0 B

Cuén RF→

1 B

H×nh 20.5 S¬ ®å m¸y céng h− ëng tõh¹t nh©n ë phßng thÝ nghiÖm.

trong cuén d©y. Trong kÜ thuËt céng h− ëng tõ, ng− êi ta bè trÝ ¨ngten ®Ó ph¸t sãng

ra®i« theo tõng xung, khi xung t¾t, qu¸ tr×nh håi phôc nh− ®· m« t¶ ë trªn x¶y ra vμ

¨ngten còng thu dßng ®iÖn c¶m øng sinh ra khi vect¬ tõ ho¸→

biÕn thiªn theo

®− êng xo¸y tr«n èc.

TÝn hiÖu ¨ngten thu ®− îc nμy cã tªn lμ tÝn hiÖu c¶m øng suy gi¶m tù do FID

(free induction decay). B¶n th©n tÝn hiÖu FID nμy m¹nh hay yÕu lμ do vect¬ tõ ho¸

→

lín hay nhá, mμ ®é lín cña→

l¹i phô thuéc vμo sè h¹t nh©n trong phÇn tö thÓ

tÝch, cô thÓ ë ®©y lμ sè pr«t«n. V× vËy tÝn hiÖu FID cho biÕt mËt ®é proton. Ph©n tÝch

kÜ d¹ng cña tÝn hiÖu FID cã thÓ t×m ®− îc thêi gian håi phôc tõ hãa ngang T 2 v.v…

Nh− vËy nÕu chia c¾t c¬ thÓ ng− êi ra tõng thÓ tÝch nhá cã täa ®é x, y, z t− ¬ng øng,

lμm cho çc h¹t nh©n trong thÓ tÝch ®ã dao

®éng céng h− ëng vμ thu tÝn hiÖu céng

h− ëng tõ thÓ tÝch ®ã göi ®i, thÝ dô tÝn hiÖu

FID, thêi gian håi phôc T 1, thêi gian håi

phôc T 2 v.v… vμ quy ®Þnh ®é ®Ëm, nh¹t,

tr¾ng ®en hoÆc mμu s¾c xanh ®á tÝm vμng

øng víi tÝn hiÖu m¹nh, yÕu, dμi, ng¾n thu

®− îc, trªn c¬ së sè liÖu çc täa ®é x, y, z

cña phÇn tö thÓ tÝch vμ tÝn hiÖu céngh− ëng thu ®− îc tõ phÇn tö ®ã, th× m¸y

tÝnh cã thÓ vÏ ra trªn mμn h×nh ¶nh c¾t líp

hai chiÒu hoÆc ¶nh ba chiÒu cña c¬ thÓ. Tïy theo tÝn hiÖu thu ®Ó t¹o ¶nh m¹nh hay

yÕu ¶nh nμy cã thÓ cho biÕt ®©u lμ n− íc, ®©u lμ chÊt mì, m¸u, x− ¬ng v.v…

20.2. Chôp ¶nh c¾t líp céng h− ëng tõ h¹t nh©n

Tr− íc hÕt ta xÐt çch thùc hiÖn céng h− ëng tõ h¹t nh©n ë phßng thÝ nghiÖm

nghiªn cøu tÝnh chÊt vËt liÖu. ThiÕt bÞ gåm mét nam ch©m vÜnh cöu ®Ó t¹o ra tõ

tr− êng ®Òu→

0 B gi÷a hai cùc (h×nh 20.5). Gi¶ sö mÉu nghiªn cøu ®Æt trong mét èng

h×nh trô chung quanh cã cuén d©y ®iÖn, hai ®Çu cuén d©y→

1 B vu«ng gãc víi→

0 B .

Ng− êi ta ®iÒu khiÓn tÇn sè cña→

1 B sao cho cã hiÖn t− îng céng h− ëng tõ x¶y ra. Lóc




281

®ã c«ng suÊt cña m¸y ph¸t v« tuyÕn t¨ng vät h¼n. Nh− vËy, theo dâi c«ng suÊt ë

m¸y ph¸t phô thuéc vμo tÇn sè, ta x¸c ®Þnh ®− îc nh÷ng tÇn sè øng víi cã céng

h− ëng tõ x¶y ra trong mÉu. Mäi biÕn thiªn cña m«men tõ tæng céng→

cña mÉu

®Òu cã thÓ g©y nªn dßng c¶m øng trong cuén d©y ®Æt chung quanh mÉu theo nguyªn

t¾c:→

biÕn thiªn lμm biÕn thiªn tõ th«ng di qua cuén d©y, biÕn thiªn tõ th«ng sinh

ra dßng ®iÖn c¶m øng. NÕu bè trÝ cuén d©y vu«ng gãc víi→

0 B ta ®o ®− îc biÕn thiªn

cña thμnh phÇn M song song víi song song víi→

0 B tøc lμ →

// M . Tõ ®ã ta ®o ®− îc

thêi gian håi phôc däc. NÕu bè trÝ cuén d©y song song víi→

0 B ta ®o ®− îc biÕn thiªn

cña thμnh phÇn vu«ng gãc→

⊥ M , tõ ®ã x¸c ®Þnh ®− îc thêi gian håi phôc ngang. Çc

tÝn hiÖu mμ çc cuén d©y thu ®− îc rÊt nhá, rÊt ng¾n nh− ng kÜ thuËt xö lÝ tÝn hiÖu

ngμy nay cho phÐp ®o kh¸ chÝnh x¸c.

Gi¶i ph¸p kÜ thuËt quan träng nhÊt ®Ó cã ®− îc ¶nh c¾t líp céng h− ëng tõ h¹t

nh©n lμ do Lauterbur ®− a ra n¨m 2073. §ã lμ thªm vμo tõ tr− êng m¹nh→

0 B çc tõ

tr− êng yÕu nh− ng biÕn thiªn ®Òu theo kho¶ng çch, nãi çch kh¸c lμ t¹o ra çc

gradien tõ tr− êng.

Tr− íc hÕt ta xÐt çch t¹o ra tõ tr− êng cãgradien theo z vμ t¸c dông cña tõ tr− êng nμy.

Cuén d©y siªu dÉn t¹o ra mét tõ tr− êng→

0 B

rÊt m¹nh vμ rÊt ®Òu. Ng− êi ta bè trÝ thªm mét cuén

d©y t¹o ra mét tõ tr− êng yÕu song song víi→

0 B

nh− ng biÕn thiªn ®Òu theo z, tøc lμ cã d¹ng

( )

→→

β+α= 0 B z B z . (20.2)VËy thªm cuén d©y t¹o gradien nμy, tõ

tr− êng tæng céng bªn trong cuén d©y siªu dÉn lμ:

( )→→→

β+α+=+ 00 1 B z B B z . (20.3)

Tõ tr− êng nμy rÊt m¹nh, biÕn thiªn ®Òu theo

→

0 B = 1T

zBo + Bz

1,02 T1,01 T1,00 T0,99 T0,98 T

H×nh 20.6. Do Bz cã gradientheo z kh«ng gian trong h×nh trô® − îc chia thµnh nh÷ng líp c¾tmáng vu«ng gãc víi z, tõ tr− êng

Bo +Bz trong mçi líp cã thÓ xemlµ kh«ng ®æi.




282

z: tõ tr− êng bªn trong h×nh trô bÞ chia thμnh tõng líp máng, vu«ng gãc víi trôc z.

Trong ph¹m vi mét líp, tõ tr− êng cã thÓ xem lμ kh«ng thay ®æi . Khi ®i tõ líp nμy

®Õn líp kia tõ tr− êng t¨ng dÇn, thÝ dô nh− ë h×nh vÏ 10.35 lμ 0,97T, 0,98T, 0,99T, 1T,

1,01T, 1,02T, 1,03T, … C¬ thÓ ng− êi ®− îc ®Æt trong h×nh trô rçng, xÐt vÒ mÆt tõ cã

thÓ chia ra lμm nhiÒu líp: líp n»m trong tõ tr− êng 0,97T, líp n»m trong tõ tr− êng

0,98T v.v… TÇn sè cña chuyÓn ®éng ®¶o cña m«men tõ h¹t nh©n phô thuéc vμo tõ

tr− êng ngoμi, thÝ dô ®èi víi h¹t nh©n nguyªn tö hi®ro, khi tõ tr− êng ngoμi lμ 1T, tÇn

sè chuyÓn ®éng ®¶o lμ 42,58 MHz.

Khi c¬ thÓ n»m trong tõ tr− êng ngoμi cã gra®ien theo z, nÕu chiÕu sãng ra®io

cã tÇn sè 42,58 MHz vμo c¶ c¬ thÓ th× chØ cã çc h¹t nh©n nguyªn tö hidro n»m

trong tõ tr− êng 1T míi bÞ céng h− ëng. Nh− vËy nhê cuén d©y t¹o ra gradien tõ

tr− êng theo trôc z ta cã thÓ t¹o ra céng h− ëng tõ h¹t nh©n chØ trong mét líp vu«nggãc víi z. Líp nμy dμy hay máng lμ tuú thuéc vμo tõ tr− êng biÕn thiªn nhanh hay

chËm, tøc lμ phô thuéc ®é lín dH/dz cña tõ tr− êng. Cã thÓ dÞch chuyÓn vÞ trÝ céng

h− ëng b»ng hai çch:

Çch 1 : gi÷ nguyªn tÇn sè cña sãng radio, dÞch chuyÓn gradien tõ tr− êng.

Çch 2 : gi÷ nguyªn gradien tõ tr− êng, thay ®æi tÇn sè cña sãng radio.

ë m¸y t¹o ¶nh c¾t líp céng h− ëng tõ cã tÊt c¶ ba cuén t¹o gradien tõ tr− êng

theo ph−

¬ng x, ph−

¬ng y vμ

ph−

¬ng z. Phèi hîp sö dông c¶ ba cuén, vÒ nguyªn t¾ccã thÓ t¹o ra ®− îc céng h− ëng tõ trong mét phÇn tö thÓ tÝch cã to¹ ®é x, y, z cña c¬

thÓ vμ thu lÊy tÝn hiÖu céng h− ëng tõ tõ thÓ tÝch ®ã ph¸t ra. Cã thÓ ®iÒu khiÓn ®Ó

chän mét líp c¾t vμ lÇn l− ît quÐt phÇn tö thÓ tÝch céng h− ëng theo toμn bé diÖn tÝch

cña líp c¾t. Tõ tËp hîp çc sè liÖu vÒ tÝn hiÖu céng h− ëng vμ vÞ trÝ t− ¬ng øng m¸y

tÝnh cã thÓ t¹o ra ¶nh céng h− ëng tõ cña líp c¾t. Thu thËp sè liÖu tõ çc líp c¾t liªn

tiÕp nhau, m¸y tÝnh cã thÓ dùng l¹i ¶nh ba chiÒu trong kh«ng gian cña ®èi t− îng.

Tuú thuéc vμo viÖc lÊy tÝn hiÖu céng h− ëng nμo ®Ó t¹o ¶nh vμ céng h− ëng

x¶y ra ®èi víi h¹t nh©n nμo, ¶nh c¾t líp céng h− ëng tõ sÏ cho ta çc th«ng tin t− ¬ng

øng. ThÝ dô, tÝn hiÖu c¶m øng tõ do suy gi¶m FID phô thuéc vμo ®é lín cña vect¬ tõ

ho¸ M cña phÇn tö thÓ tÝch mμ M l¹i phô thuéc vμo sè m«men tõ cña proton, do ®ã

tÝn hiÖu nμy m¹nh hay yÕu phô thuéc vμo mËt ®é proton lín hay nhá, tõ ®ã ta cã thÓ




283

lý gi¶i nh÷ng chç ®Ëm nh¹t trªn ¶nh cã thÓ t− ¬ng øng víi nh÷ng chÊt nμo (h×nh

20.7).

Th«ng th− êng ng− êi ta hay sö dông

tÝn hiªu liªn quan ®Õn thêi gian håi phôc däc

vμ ngang. Nh− ®· nªu trªn, çc thêi gian håi

phôc T 1 vμ T 2 rÊt phô thuéc phÇn tö thÓ tÝch

chøa chÊt g× : chÊt n− íc, chÊt dÞch, n·o tuû,

ung th− … Do ®ã ë ¶nh c¾t líp sö dông çc

lo¹i tÝn hiÖu T 1, T 2 dÔ thÊy râ ®©u lμ m¸u,

®©u lμ mì, ®©u lμ n·o… vμ cã thÓ ph©n biÖt

m¸u ®ang ch¶y dÒu trong m¹ch m¸u hay m¹ch m¸u bÞ vì, m¸u ch¶y ngÇm ra ngo μi.

B»ng kü thuËt xö lý ¶nh, nh÷ng chç cã tÝn hiÖu céng h− ëng øng víi x− ¬ng ng− êi tacho mμu tr¾ng ®ôc, chç øng víi m¸u cã mμu ®á, chç øng víi mì cã mμu vμng nh¹t

v.v…do ®ã ng− êi b¸c sÜ dÔ dμng nhËn ®Þnh khi chÈn ®o¸n bÖnh.

So víi chôp ¶nh c¾t líp b»ng tia X (X-ray computed tomography) vμ mét vμi

çch chôp ¶nh dïng h¹t nh©n phãng x¹, ph− ¬ng ph¸p chôp ¶nh c¾t líp céng h− ëng

tõ h¹t nh©n cã − u ®iÓm lín lμ kh«ng ®− a vμo c¬ thÓ ng− êi bÊt cø bøc x¹ i«n hãa nμo.

Khi chôp ¶nh, c¬ thÓ ng− êi chØ chÞu ba t¸c dông vËt lÝ: tõ tr− êng tÜnh rÊt m¹nh→

0 B ,

biÕn thiªn cña gradien tõ tr− êng vμ sãng radi«.

Tõ tr− êng tÜnh→

0 B ®− îc sö dông th− êng vμo cì 1 Tesla trë lªn, m¹nh gÊp

20.000 lÇn tõ tr− êng Tr¸i §Êt. Theo nhiÒu kÕt qu¶ nghiªn cøu tõ tr− êng m¹nh vμo cì

®ã thËm chÝ ®Õn 2,5 Tesla vÉn ch− a cã t¸c h¹i g× ®Õn c¬ thÓ. Cßn gradien tõ tr− êng

khi biÕn thiªn m¹nh còng chØ g©y ra trong c¬ thÓ dßng ®iÖn c¶m øng víi mËt ®é

dßng vμo cì 1μA/cm2. Gi¸ trÞ nμy còng qu¸ nhá kh«ng g©y h¹i g×. D− íi t¸c dông

cña sãng ra®io chiÕu vμ

o, c¬ thÓ chØ hÊp thô hÕt 0,7 W, t−

¬ng øng chØ cã thÓ lμ

mnhiÖt ®é c¬ thÓ t¨ng cì 0,1-0,2o C.

§iÒu h¹n chÕ cña ph− ¬ng ph¸p céng h− ëng tõ h¹t nh©n lμ trong c¬ thÓ kh«ng

®− îc cã m¶nh kim lo¹i, vËt liÖu tõ, thÝ dô m¶nh bom, viªn ®¹n cßn sãt l¹i nÕu cã

d− íi t¸c dông cña tõ tr− êng çc lo¹i vËt liÖu tõ nμy sÏ bÞ hót m¹nh vμ nãng lªn. §Æc

MËt ®é proton

H×nh 20.7. So s¸nh mËt ®é proton ëçc bé phËn trong c¬ thÓ.

x − ¬ n g

d a

g a n

c h Ê t t r ¾ n g

C ¬ b ¾ p

C h Ê t x ¸ m




284

biÖt lμ nh÷ng ng− êi dïng m¸y trî tim, nÕu ®− a vμo tõ tr− êng m¹nh, m¸y bÞ háng

ngay vμ ng− êi mang m¸y khã tr¸nh khái tö vong.

Ph− ¬ng ph¸p chôp ¶nh c¾t líp céng h− ëng tõ h¹t nh©n cã nhiÒu − u ®iÓm so

víi çc ph− ¬ng ph¸p chôp ¶nh c¾t líp kh¸c trong y häc. TÝn hiÖu céng h− ëng ®Ó t¹o

ra ®é ®Ëm, nh¹t, ®en, tr¾ng hay mμu s¾c trªn ¶nh rÊt nh¹y c¶m víi cÊu t¹o, tæ chøc

sinh häc cña c¬ thÓ. Trªn ¶nh çc tæ chøc, çc chç bÊt th− êng nh− m¹ch m¸u bÞ r¹n

nøt, m¸u rØ ra ngoμi, khèi u nhá chÌn d©y thÇn kinh… rÊt dÔ ph©n biÖt vμ ph¸t hiÖn.

H×nh 20.8. M¸y chôp h×nh b»ng céng h− ëng tõ h¹t nh©n (h×nh trªn). H×nh ¶nh mÆtc¾t däc cña vïng ®èt sèng cæ (h×nh d − íi, bªn tr¸i) vµ h×nh ¶nh mÆt c¾t ngang cñatuû sèng (h×nh d − íi, bªn ph¶i)




TÀI LIỆU THAM KHẢO

Documents

Giáo trình Vật lý – Lý sinh Y học Tác giả: Bùi Văn Thiện, Ng. Quang Đông, Ng. Xuân Hòa, Vũ Thị Thúy Trường ĐH Y Dược- ĐH Thái Nguyên, 2014