Đồng vị là gì? Đồng vị phóng xạ là gì? Các ứng dụng đồng vị?

1. Đồng vị là gì?

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

Thuật ngữ "đồng vị" Isotope được tạo ra từ tiếng Hy Lạp isos (ἴσος "cùng") và topos (τόπος "chỗ"), có ý nghĩa là "cùng một vị trí", để chỉ rằng các đồng vị khác nhau của một nguyên tố đều có thể tìm thấy ở những 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. 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 đa dạng về số lượng các neutron. Số lượng các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân được gọi là số khối của nguyên tử.

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, do đó 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?

Các đồng vị phóng xạ có thể tự nhiên không ổn định hoặc được tạo ra thông qua sự can thiệp con người. Một lò phản ứng hạt nhân hoặc cyclotron có thể được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ. Lò phản ứng hạt nhân là phương pháp phù hợp nhất để tạo ra đồng vị phóng xạ giàu neutron như molybdenum-99, trong khi cyclotron phù hợp để tạo ra đồng vị phóng xạ giàu proton như fluorine-18. Một ví dụ điển hình về đồng vị phóng xạ tự nhiên là uranium. Trong tự nhiên, khoảng 0.7% uranium là uranium-238, còn lại là uranium-235 không ổn định hơn với tính phóng xạ và ít hơn 3 neutron trong hạt nhân. Các nguyên tử không ổn định lấy lại sự ổn định bằng cách phân rã và phát ra bức xạ cùng với năng lượng dư thừa. Quá trình này, được gọi là phân rã phóng xạ, là duy nhất cho mỗi đồng vị phóng xạ và được đo bằng chu kỳ bán rã, là thời gian cần thiết để một 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 một nguyên tử. Nó cho biết nguyên tử đó nặng gấp bao nhiêu lần so với khối lượng chuẩn của một nguyên tử. Khối lượng của nguyên tử được xác định bởi tổng khối lượng của proton, nơtron và electron trong nguyên tử đó. Proton và nơtron có khối lượng gần bằng 1 unit khối lượng nguyên tử, trong khi electron có khối lượng rất nhẹ, khoảng 0.00055 unit khối lượng nguyên tử. Vì vậy, nguyên tử khối có thể xem như tương đương với tổng khối lượng của hạt nhân. Hầu hết các nguyên tố hóa học là sự kết hợp của nhiều đồng vị với tỷ lệ phần trăm xác định của số nguyên tử. Do đó, nguyên tử khối của các nguyên tố có nhiều đồng vị là trọng lượng trung bình của hỗn hợp các đồng vị, lấy vào tính toán tỷ lệ phần trăm số nguyên tử tương ứng.

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

* Trong lĩnh vực y học

Công nghệ đồng vị phóng xạ đã được khám phá và áp dụng từ năm 1930. Đến ngày nay, ứng dụng chủ yếu của đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực y học là để hỗ trợ việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Các đồng vị phóng xạ có thời gian giảm phân rã ngắn và nhanh sẽ được sử dụng để chẩn đoán, trong khi đồng vị có thời gian giảm phân rã lâu và kéo dài sẽ được sử dụng để điều trị.

Nguyên tắc áp dụng đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực y học tương tự như các đồng vị thông thường, tức là khi tham gia vào các quá trình sinh lý của cơ thể như chuyển hóa, phân bố hay tiết bài, đồng vị phóng xạ không gây tác động dược lý.

Đồng vị phóng xạ được tiêm hoặc uống vào cơ thể dưới dạng chất mang cùng với dược chất phóng xạ. Loại dược chất phóng xạ sử dụng tùy thuộc vào mục đích của quá trình khám và chẩn đoán và cơ quan được kiểm tra.

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 phương pháp phóng xạ phốt pho để xác định loại phân phốt tốt nhất cho đất đai và cây trồng.

- Áp dụng việc bón phân phốt pho vào gốc cây, sâu trong đất trồng và theo thời gian để đạt hiệu suất tốt hơn.

- Sử dụng các thành phần chứa chất dinh dưỡng trong phân bón, cơ chế quang hợp, và phương pháp bảo vệ thực vật bao gồm sử dụng thuốc trừ sâu, quá trình trao đổi chất trong cây,...

- Ứng dụng phương pháp biến đổi phóng xạ phổ biến trong nhiều quốc gia nhằm tăng năng suất, tạo ra các loại cây trồng có chất dinh dưỡng cao hơn, như 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 lĩnh vực nghiên cứu khoa học và có nhiều ứng dụng quan trọng trong xử lý nước thải. Chúng có thể được sử dụng để phân tích và giám sát các vật chất gây ô nhiễm từ dược phẩm trong hệ thống sinh học và các quá trình trao đổi chất ở động vật. Đồng vị phóng xạ đặc biệt còn được sử dụng để phát hiện các hoạt động hạt nhân bí mật và sản xuất các chương trình vũ khí. Ngoài ra, chúng cũng được sử dụng để giám sát hàng ngày nước thải và bùn xử lý nước thải. Đặc điểm quan trọng của đồng vị phóng xạ là được áp dụng trong lĩnh vực y học hạt nhân để chẩn đoán và điều trị các bệnh. Trước khi xả thải vào môi trường, nước thải y tế cần được xử lý và kiểm tra lại.

Định tuổi bằng phương pháp sử dụng đồng vị phóng xạ hoặc xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ là một kỹ thuật để xác định tuổi của vật liệu. Kỹ thuật này dựa trên việc so sánh lượng các đồng vị liên quan đến quá trình phân rã phóng xạ của một hoặc vài đồng vị phóng xạ đặc trưng có trong mẫu thử. Quá trình phân rã phóng xạ diễn ra với tốc độ phân rã cố định, trong khi các sản phẩm phân rã được ghi lại trong vật liệu mẫu từ khi nó chuyển thành rắn. Kết quả thu được là tuổi tuyệt đối [a]. Phương pháp này là một nguồn thông tin quan trọng để xác định tuổi chính xác của đá cũng như các yếu tố địa chất khác, bao gồm cả tuổi của Trái Đất. Nó cũng có thể được áp dụng để xác định tuổi của các vật liệu tự nhiên và nhân tạo.

Cùng với nguyên tắc địa tầng học, các phương pháp định tuổi bằng phóng xạ được sử dụng để định rõ niên đại địa chất. Có một số phương pháp được biết đến phổ biến, bao gồm định tuổi bằng carbon-14, định tuổi bằng kali-argon và định tuổi bằng urani-chì. Ngoài việc định rõ niên đại địa chất, phương pháp này cũng cung cấp thông tin về tuổi của hóa thạch và cho phép 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 công cụ cổ xưa.

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.