Đồng vị là gì? Đồng vị phóng xạ là gì? Ứng dụng đồng vị?

1. Đồng vị là gì?

Đồng vị là các biến thể của một nguyên tố hóa học, trong đó hạt nhân nguyên tử có cùng số proton nhưng có chứa số neutron (notron) khác nhau và do đó có số khối khác nhau.

Thuật ngữ “đồng vị” Isotope được hình thành từ tiếng Hy Lạp isos (ἴσος “cùng”) và topos (τόπος “chỗ”), có nghĩa là “cùng một chỗ”, để nói rằng các đồng vị khác nhau của một nguyên tố đều chiếm vị trí duy nhất trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hay Bảng tuần hoàn Mendeleev.

Ba đồng vị trong tự nhiên của hydro:

protium 1H với 0 neutron,

deuterium 2H với 1 neutron,

tritium 3H với 2 neutron

Số proton trong hạt nhân nguyên tử được gọi là số nguyên tử, và bằng số electron trong trạng thái nguyên tử trung tính (không ion hóa). Mỗi số nguyên tử xác định một nguyên tố cụ thể, và các nguyên tử của nguyên tố đó có thể có một phạm vi rộng về số lượng các neutron. Số lượng các nucleon (tên gọi chung cho proton và neutron) trong hạt nhân là số khối của nguyên tử, tức là mỗi đồng vị của một nguyên tố có một số khối riêng biệt.[1][3]

Ví dụ, cacbon-12, carbon-13 và cacbon-14 là ba đồng vị của nguyên tố cacbon với số khối tương ứng là 12, 13 và 14. Số nguyên tử của carbon là 6, có nghĩa là mỗi nguyên tử carbon có 6 proton, vì vậy mà số neutron của các đồng vị tương ứng là 6, 7 và 8.

Vì các đồng vị của một nguyên tố chỉ khác nhau về số neutron nên cấu hình electron của các đồng vị là giống nhau. Do đó, tính chất hóa học của các đồng vị không thay đổi, tính chất vật lý thay đổi (do sự thay đổi về khối lượng).

2. Đồng vị phóng xạ là gì?

Đồng vị phóng xạ là đồng vị của một nguyên tố hóa học mà hạt nhân nguyên tử của nguyến tố đó ở trạng thái không ổn định và phát ra bức xạ ion hóa trong quá trình phân rã để trở thành trạng thái ổn định.

3. Làm thế nào để đồng vị phóng xạ xảy ra?

Hạt nhân không ổn định của đồng vị phóng xạ có thể xảy ra 1 cách tự nhiên. Hoặc là kết quả của sự thay đổi nhân tạo nguyên tử. Trong 1 số trường hợp, 1 lò phản ứng hạt nhân được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ hoặc cyclotron. Lò phản ứng hạt nhân phù hợp nhất để sản xuất đồng vị phóng xạ giàu neutron như molybdenum – 99. Trong khi cyclotron phù hợp với việc sản xuất phóng xạ giàu proton như fluorine – 18. Ví dụ điển hình về đồng vị phóng xạ tự nhiên là uranium. 0.7% urani tự nhiên là uranium – 238, còn lại là uranium – 235 kém ổn định hoặc có tính phóng xạ hơn và có ít hơn 3 neutron trong hạt nhân. Các nguyên tử hạt nhân không ổn định lấy lại sự ổn định bằng cách loại bỏ hạt và năng lượng dư thừa dưới dạng bức xạ. Quá trình rũ bỏ bức xạ được gọi là phân rã phóng xạ. Quá trình phân rã cho mỗi đồng bị phóng xạ là duy nhất. Được đo bằng 1 khoảng thời gian gọi là chu kỳ bán rã. Thời gian bán hủy là thời gian cần thiết để 1 nửa số nguyên tử không ổn định trải qua quá trình phân rã phóng xạ.

4. Nguyên tử khối là gì?

Nguyên tử khối là khối lượng tương đối của nguyên tử. Nguyên tử khối của một nguyên tử cho biết khối lượng của nguyên tử đó nặng gấp bao nhiêu lần đơn vị khối lượng nguyên tử. Khối lượng của nguyên tử bằng tổng khối lượng của proton, nơtron và electron trong nguyên tử đó. Proton và nơtron đều có khối lượng xấp xỉ 1u còn electron có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều, khoảng 0,00055u. Do đó, có thể coi nguyên tử khối xấp xỉ số khối của hạt nhân Hầu hết các nguyên tố hóa học là hỗn hợp của nhiều đồng vị với tỉ lệ phần trăm số nguyên tử xác định → nguyên tử khối của các nguyên tố có nhiều đồng vị là nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp các đồng vị có tính đến tỉ lệ phần trăm số nguyên tử tương ứng.

5. Các ứng dụng của đồng vị trong cuộc sống:

* Trong y học

Đồng vị phóng xạ đã được phát hiện và ứng dụng từ năm 1930. Đến nay, ứng dụng chủ yếu của đồng vị phóng xạ trong y học là phục vụ chẩn đoán và điều trị. Với những đồng vị phóng xạ có thời gian bán hủy ngắn, phân rã nhanh, sẽ được dùng để chẩn đoán. Với những đồng vị có thời gian bán hủy dài, phân rã lâu, sẽ được dùng để điều trị.

Nguyên lý ứng dụng đồng vị phóng xạ trong y học cũng giống như những đồng vị thường, tức là khi tham gia vào các quá trình sinh lý của cơ thể như chuyển hoá, phân bố hay thải trừ, đồng vị phóng xạ không gây ra các tác dụng dược lý.

Đồng vị phóng xạ được đưa vào cơ thể dưới dạng dược chất phóng xạ bằng cách gắn với các chất mang (tracer), có thể đi vào theo đường tiêm hoặc uống. Tùy vào mục đích thăm khám và cơ quan chẩn đoán sẽ sử dụng các dược chất phóng xạ khác nhau.

Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

Sự đánh giá bệnh nhân với bệnh động mạch vành để quyết định giải phẫu và theo dõi sau giải phẫu

Chuẩn đoán sự quá áp gây ra do vấn đề của thận

Xác định ung thư và di căn của nó tới những cơ quan khác

Sự tắc nghẽn luồng máu tới phổi trong những bệnh nhân sau khi giải phẫu

Xác định sự tắc nghẽn ống dẫn mật dẫn tới bệnh vàng da phẫu thuật

Chụp ảnh toàn bộ não để đánh giá bệnh động kinh và chứng loạn trí nhớ

Đánh giá bướu tuyến giáp

Phân tích miễn dịch phóng xạ

Ứng dụng chữa bệnh dược phẩm phóng xạ.

* Trong công nghiệp

– Kiểm tra không phá hủy mẫu

– Diệt trùng bằng phóng xạ

– Thủy học và thủy lực học

– Tìm chỗ hỏng bằng sử dụng vết phóng xạ

– Xử lý bức xạ

– Phát năng lượng từ những nguồn đồng vị phóng xạ

* Trong nông nghiệp

– Sử dụng phốt pho phóng xạ như nguyên tử đánh dấu đã cho phương pháp xác nhận loại phốt phát mà thỏa mãn một cách tốt nhất cho đất đai và cây trồng

– Cách bón phân phốt pho tốt nhất cho gốc cây, bón theo chiều sâu đất trồng và bón theo thời gian cho năng suất tốt hơn.

– Sử dụng những nguyên tố đánh dấu trong phân bón dinh dưỡng, cơ chế của sưn quang hợp, bảo vệ thực vật bao gồm hoạt động của thuốc trừ sâu, sư trao đổi chất trong cây,…

– Sự biến đổi phóng xạ được sử dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều quốc gia để nâng cao sản lượng, tạo các giống cây trồng có chất dinh dưỡng cao hơn, như các giống lạc, lúa, cây xanh,…

– Xử lý bức xạ cà phê bằng cách sử dụng electron nhanh, nâng cao chất lượng sản phẩm.

* Nghiên cứu khoa học

Đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học. Sử dụng 1 loạt các ứng dụng trong xử lý nước thải. Thăm dò vật chất gây ô nhiễm từ dược phẩm trong hệ thống sinh học đến các quá trình trao đổi chất ở động vật. Phát hiện các hoạt động hạt nhân bí mật từ các đồng vị phóng xạ đặc biệt. Sản xuất bởi các chương trình vũ khí. Giám sát thường xuyên nước thải và bùn xử lý nước thải liên tục. Đặc tính của đồng vị phóng xạ là quy trình y học hạt nhân. Các đồng vị sử dụng cho chẩn đoán và trị liệu. Cần xử lý và thử lại nước thải y tế trước khi xả thải vào môi trường

* Định tuổi

Định tuổi bằng đồng vị phóng xạ hay xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ là một kỹ thuật xác định tuổi của vật liệu, dựa trên sự so sánh giữa lượng các đồng vị liên quan đến quá trình phân rã phóng xạ của một hay vài đồng vị phóng xạ đặc trưng có trong mẫu thử đó. Quá trình phân rã phóng xạ diễn ra với tốc độ phân rã cố định, còn các sản phẩm phân rã thì được chốt lại trong vật liệu mẫu kể từ khi nó được hóa rắn.[1] Kết quả tuổi cho ra là tuổi tuyệt đối [a]. Đây là nguồn thông tin quan trọng trong việc định tuổi chính xác các đá và các yếu tố địa chất khác bao gồm cả tuổi của Trái Đất, và có thể được sử dụng để định tuổi các vật liệu tự nhiên và nhân tạo.

Cùng với các nguyên tắc của địa tầng học, các phương pháp định tuổi bằng phóng xạ được sử dụng để thiết lập niên đại địa chất. Các kỹ thuật được biết đến nhiều nhất như định tuổi bằng cacbon-14, định tuổi bằng kali – argon và định tuổi bằng urani – chì. Bên cạnh việc thiết lập niên đại địa chất, nó còn cung cấp thông tin về tuổi của hóa thạch và suy ra sự thay đổi tốc độ tiến hóa. Định tuổi bằng đồng vị phóng xạ cũng được sử dụng để xác định tuổi của các vật liệu khảo cổ bao gồm cả các đồ tạo tác cổ.

Các phương pháp định tuổi khác nhau cho giá trị khác nhau có độ chính xác khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu được đo đạc.