Sự phóng xạ và sự biến đổi các nguyên tố hóa học
1. Sự phóng xạ và sự biến đổi các nguyên tố hóa học
Năm 1896, nhà vật lí học người pháp Becquerel phát hiện ra rằng những hợp chất của urani có khả năng phát ra những tia không nhìn thấy được, nhưng tác dụng lên giấy ảnh, xuyên qua những vật mà tia sáng thường không xuyên qua được như là kim loại mỏng v.v… Các tia này còn có khả năng phá hủy tế bào và tiêu diệt vi khuẩn…
Vài năm sau, ông bà Pierre và Marie Curie đã tìm ra nguyên tố poloni và radi có khả năng phát ra những tia tương tự nhưng mạnh hơn gần 3 triệu lần ! Bà Marie Curie gọi đó là các tia phóng xạ.
Tia phóng xạ của radi phát ra là một dòng những hạt nhân heli (gọi là hạt alpha α), những hạt electron v.v… chuyển động với vận tốc rất lớn.
Nghiên cứu sự phóng xạ của radi và của các nguyên tố khác người ta thấy đó là sự phân rã hạt nhân nguyên tử gây ra.
Một nguyên tố được gọi là phóng xạ khi hạt nhân của một số nguyên tử của nguyên tố đó tự phân rã. Hiện tượng đó xảy ra một cách tự nhiên, không có tác động bên ngoài.
Sản phẩm của sự phân rã đó là những nguyên tử của các nguyên tố có điện tích hạt nhân nhỏ hơn.
Ví dụ :
Một nguyên tố phóng xạ có thể do một nguyên tố khác sinh ra. Rồi nó lại sinh ra nguyên tố phóng xạ khác… cho tới một nguyên tố bền, không phóng xạ.
Ví dụ: nguyên tố urani liên tiếp biến đổi thành nhiều nguyên tố phóng xạ khác, trong đó có radi. Radi phóng xạ sinh ra radon. Radon lại phóng xạ sinh ra những nguyên tố khác… cuối cùng thì đến chì, nguyên tố không phóng xạ thì ngừng lại.
Tất cả các nguyên tố phóng xạ đều xuất phát từ một nguyên tố ông tổ gọi là một họ phóng xạ.
Khi điện tích hạt nhân thay đổi, nguyên tử của nguyên tố này biến đổi thành nguyên tử của nguyên tố khác. Trong ví dụ trên, nguyên tố radi biến đổi thành nguyên tố radon và heli, urani thành thori và heli…
Ngày nay nhờ các máy gia tốc hạt nhân, người ta có thể phá vỡ hạt nhân của nguyên tử nặng để tạo thành các nguyên tử có điện tích nhỏ hơn hoặc cho các hạt nhân kết hợp với nhau để tạo ra các nguyên tử có điện tích lớn hơn. Nhờ vậy người ta đã điều chế nhân tạo được các nguyên tố không có trong tự nhiên (Z = 93 đến Z = 109). Đó là các nguyên tố siêu urani có nghĩa là các nguyên tố đứng sau urani, đó là cácc đồng vị của các nguyên tố đã biết nhưng có tính phóng xạ, ví dụ đồng vị 131I(đọc là iốt 131) dùng để chuẩn đoán bệnh, đồng vị 61Co(đọc là coban 61) dùng chữa bệnh ung thư v.v…
Số đồng vị phóng xạ nhân tạo (khoảng gần 1000) vượt xa số đồng vị có trong tự nhiên (khoảng 300).
Phản ứng hạt nhân là sự biến đổi hạt nhân do sự tự phân rã hạt nhân (sự phóng xạ), hoặc do tương tác giữa các hạt nhân với nhau hoặc giữa hạt nhân với các hạt cơ bản (proton, nơtron…)
Trong các phản ứng hạt nhân, nguyên tử của nguyên tố nọ biến đổi thành nguyên tử của nguyên tố kia.
Ví dụ:
1. Một trong những phản ứng xảy ra trong bom khinh khí
2. Phản ứng điều chế nhân tạo nguyên tố 104 (Rutherford) thực hiện tại Viện liên hợp nghiên cứu nguyên tử của các nước xã hội chủ nghĩa đặt tại Dupna (Liên Xô)
3. Phản ứng sau đây đáng lưu ý ở chỗ về nguyên tắc có thể thực hiện được ước mơ của các nhà giả kim thuật thời trung cổ muốn biến thuỷ ngân thành vàng
2. Ứng dụng của các đồng vị phóng xạ
a) Chữa bệnh ung thư
Cấu trúc của ADN, bên trong gien của cácc động vật và động vật có thể bị thay đổi khi bị chiếu xạ; các tế bào ung thư dễ bị phá huỷ hơn các tế bào lành mạnh. Vì vậy các tia gamma (γ)phát ra từ đồng vị phóng xạ coban- 60 (
) có khả năng xuyên sâu, dùng để điều trị các khối u bên trong cơ thể – Coban – 60 là nguồn phát ra tia gamma thông dụng nhất. Còn các bệnh ung thư ở bên ngoài như ung thư da có thể điều trị bằng phot pho 30 (
) hay stronti – 90 (
) đựng trong túi nhựa băng vào vùng tổn thương.
b) Nghiên cứu con đường chuyển hoá trong cơ thể
Các đồng vị phóng xạ có thể để theo dõi sự chuyển hoá của các nguyên tố khác nhau trong cơ thể sinh vật. Chẳng hạn, dùng một loại phân bón có chứa đồng vị phóng xạ photpho – 32 (
) để theo dõi sự hấp thụ photphat và sự chuyển hoá của photpho của cây cối. Dùng đồng vị iot -131 (
) phóng xạ để chuẩn đoán và chữa bệnh bứu cổ.
c) Đo bề dày các bình và phát hiện ra những chỗ trống
Khi đi qua các vật liệu, các tia phóng xạ càng bị yếu nếu vật liệu càng dày. Cho nên người ta dùng tia gamma để đo bề dày của các vật liệu như giấy, kim loại, nhựa…
Việc sử dụng tia phóng xạ để đo bề dày của các vật liệu ưu việt ở chỗ không cần cắt các vật liệu đó ra. Các tia bêta (β) có thể dùng để đo bề dày của một lá thép cỡ 0,2 cm, còn tia gamma có thể dùng để xác định độ dày của lá thép tới 10 cm !
Cũng tương tự như vậy, có thể dùng tia phóng xạ để đo mực chất lỏng đựng trong một bình kín và phát hiện những chỗ còn rỗng. Người ta đặt một nguồn phóng xạ ở phía sau bình và phía trước đặt một máy phát hiện. Khi nguồn phóng xạ và máy phát hiện thấp xuống dưới mực chất lỏng đựng trong bình thì sự phóng xạ giảm xuống đột ngột, do đó biết được mực chất lỏng đụng trong bình.
Cũng bằng cách tương tự, các máy phát hiện hộp rỗng được đặt trên các dây chuyền sản xuất để gạt ra ngoài những hộp bích quy, những lon bia hay hộp thuốc lá rỗng hoăc đựng không đầy.
d) Sử dụng các tia phóng xạ trong khảo cổ và địa chất
+ Quả đất bao nhiêu tuổi?
Khi biết tốc độ phân huỷ của một đồng vị phóng xạ (chu kì bán huỷ), ta có thể xác định được thời gian cần thiết để làm giảm đi một lượng chất nào đó.
Chẳng hạn sự phân huỷ của urani-238 để biến thành chì-206 là cơ sở của phương pháp xác định tuổi của các loại đá trong vỏ Trái Đất.
Trước hết ta cần biết rằng lúc sơ khai trong vỏ Quả Đất chứa urani – 238 chứ không phải chì – 206. Tỉ lệ hiện thời của U- 238/Pb- 206 là căn cứ để tính thời gian trôi qua từ khi đá được hình thành.
Sử dụng phương pháp đó người ta biết được tuổi của đá thay đổi từ 40 triệu đến 4000 triệu năm. Các nhà địa chất thường lấy tuổi của Quả Đất là 4 tỉ năm.
+ Xác định niên đại của những di vật khảo cổ bằng cacbon-14
Cơ sở của việc xác định niên đại bằng cacbon-14 là quá trình tạo thành cacbon-14 đồng thời với quá trình phân rã nó. Cacbon-14 được liên tục hình thành trên tầng cao của khí quyển bởi sự va chạm của nơtron với nguyên tử nitơ
Các nơtron được sinh ra khi các tia vũ trụ có năng lượng rất lớn va đập vào nguyên tử và phá vỡ nó thành nhiều mảnh.
Cùng lúc cacbon-14 mới được tạo thành, các đồng vị cacbon -14 đã có sẵn bị phân rã thành nitơ (
) bằng sự phóng xạ
Do sự phân rã và hình thành xảy ra đồng thời trong khí quyển nên khí quyển luôn chứa một lượng cacbon – 14 với một lượng không đổi dưới dạng 
. Lượng này thâm nhập vào cây cỏ thông qua quá trình quang hợp của cây và từ cây cỏ chuyển sang động vật. Như vậy, tất cả mọi sinh vật đều có một tỉ lệ không đổi cacbon -14.
Bây giờ, khi động vật và thực vật chết đi thì sự hấp thụ thay thế cacbon-14 bị ngừng lại nhưng sự phân rã cacbon-14 vẫn tiếp tục. Giả sử cacbon-14 chiếm x% tổng số cacbon trong cơ thể sinh vật. Sau khi sinh vật chết đi khoảng 5700 năm (chu kì bán huỷ của cacbon-14), lượng cacbo -14 chỉ còn một nửa tức là x/2%. Sau 5700 năm nữa thì lượng cacbon-14 còn lại là x/4%. Chỉ cần so sánh nồng độ của cacbon-14 chứa trong một mẫu vật khảo cổ với nồng độ của cacbon-14 trong những vật liệu tương tự trong thời hiện tại là có thể tính được tuổi của mẫu vật nghiên cứu.
Bằng cách dùng đồng vị phóng xạ của cacbon-14, người ta xác lập được niên đại của thời Cổ Ai Cập và kiểm tra được độ tin cậy của những di vật thời cổ.
e) Dùng đồng vị phóng xạ tạo giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm
Sự chiếu xạ có thể làm thay đổi gen của cây cối tạo nên những đột biến, do đó có thể tạo nên những giống mới.
Sự chiếu xạ lương thực, thực phẩm bằng tia gamma phát ra từ đồng vị Co-60 có tác dụng diệt khuẩn – bảo quản lương thực, thực phẩm được lâu dài.
Leave a Reply