Tìm hiểu một số ứng dụng của hiện tượng phóng xạ trong hóa học và sinh học

Lý do chọn đề tài Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bên tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân thường được gọi là các tia phóng xạ.. Ngoài ra việc ứng dụng năn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

TRƯƠNG THỊ THỦY

TIM HIEU MOT SO UNG DUNG CUA

HIEN TUQNG PHONG XA TRONG

HOA HOC VA SINH HOC

KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

Chuyén nganh: V6 co

Người hướng dẫn khoa học Th.S NGUYÊN VĂN QUANG

HÀ NỘI - 2011

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thạc sĩ Nguyễn Văn Quang, giảng viên Hoá học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, người đã tận tinh hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực tập và hoàn thành khoá luận này

Tôi xin chân thành cảm ơn các giảng viên khoa Hoá học đã nhiệt tình giúp

đỡ, tạo điều kiện cho tôi tìm hiểu về nội dung của khoá luận

Cuối cùng tôi xin dành cho gia đình, bạn bè lòng biết ơn sâu sắc về sự quan tâm, động viên và góp ý cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Vĩnh Phúc, tháng 5 năm 2011

Sinh viên

Trương Thị Thuỷ

LỜI CAM ĐOAN

Khoá luận tốt nghiệp này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Nguyễn Văn Quang Tôi xin cam đoan:

Đây là kết quả nghiên cứu của tôi

Kết quả này không trùng với kết quả của bắt kì tác giả nào đã được công

bô Nêu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Sinh viên Trương Thị Thuỷ

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt -2° sccseccssecssersserescrcee 1 Danh mục các Đảng .- << << << << HH HH mm n0 2 Danh mục các hÌnh - << << << << 9 HH 0 0 2

MO DAU aasssssssssssssossccsssssssssssosessssssssssssssosessssssssssssssssseesesssssssssssssesssssssseossseseesssase 3

1 Lý do chon dé tai ceccceccceccccssssssssesssessseesscssvesssesssessesssvesssessseessesseesseessseesseess 3

V0 5000083000 1 3

3.Ý nghĩa khoa học và thực tin Cla GE tai eee eecececcesecssesseseesecseesecssceecsecsecesees 4

CHƯƠNG 1: SO LUQC LY THUYET VE HIEN TUQNG PHONG XA 5

1.1 Sơ lược về cau tao NgUy6N CU ssssesssesssesssesssessuessseesseesseesseessseesseess 5 1.1.1 Mô hình về nguyên tử ¿-22- 22s E2 1221222171121 22121 E1xcrtrrrrei 5 1.1.1.1 Mô hình sơ khai về nguyên tử 22: ©22s222Ee+EEEEtEEEErrrrerrrrrrrrrree 5

1.1.1.2 Việc tìm ra điỆn tỬ - Sc 1223121112111 11121112 vn ng ng ngư 5

1.1.1.3 Mô hình đầu tiên về nguyên tử -2- 222-2222z2EEEEtEEEErrrrerrrrrrerrree 6 1.1.1.4 Việc tìm ra DFOfOII - + St SE St 1S 11111 H1 T1 HT TH HH Hy 6

1.1.1.6 Bản chất lưỡng tính ¿2s s9 E2EEEEEEEEEE711211271.2E1E E1 crrrrrrei §

1.1.1.7 Mô hình nguyên tử của BOhr - ¿5+ + + sccsx+sersrerrrrrrrrrrrrree 8 1.1.1.8 Mô hình nguyên tử hiện đạt - - 2+ 2S 22+ +x+Eevxersrrrersrser 10 1.1.2 Kích thước và khối lượng của nguyên tử -:2¿©cce+cxescxerrrsree 11 1.1.2.1 Kich thuréc ctta nguyém tt cece ecceecceecseeeeeeeeeaeeeceeaeeeceeaeeaeeeeseeeeee 11

1.1.2.2 Khối lượng của nguyên tử 2 2© EEEEEEEEEEEEEEEEEEeEExrrrkree 11 1.1.3 Lớp và phân lớp eÏeCtrOIn -¿- ¿252222322 E*E*tE+EEEE+sE+Ersererrrsrrrsee 12

II Ennyu on aẽaảỪỪ 12

II 1 0u vn .o 12

1.1.3.3 S6 electron téi đa trong một phân lớp, một lớp - 12

II N00) i0iàn 00 13

1.2 Đặc điểm, cấu trúc và năng lượng liên kết hạt nhân -cs-5se¿ 13 IV P0 HgdatŸ 13

1.2.2 Năng lượng liên kết của hạt nhân 2- 2 ©t++++xz£xzvrrxrrrrrre 13 1.2.2.1, DO but nnnốỐốỐốỐốỐốẻốẻ.ẻ.ẻ 14 1.2.2.2 Năng lượng liên kết hạt mhan (Ej) ceecceeecsseessseeesssesssseesesesesseessseeseneess 14 1.2.2.3 Năng lượng liên kết riêngg -2 ©22 e2 E2 EEEEE2E1xEExerrkree 14 1.2.2.4 Năng lượng liên kết của proton hoặc nơtron cuối cùng - 15

1.3 Hiện tượng phóng Xạ -.- - + ST TH TH HT HH re 15 1.3.1 Su tim ra hién tong phong Xa eee eeeeeseeeeeeseeeceeeeeeeeeecseteeeeeeeeaeeeees 15 1.3.2 Tinh chat cua cdc nguyén t6 phOng Xa eccceccceeessesssseeseseseseesseesesees 16 1.3.3 Các chất phóng xạ trong tự nhiên, đơn vị đo hoạt tính phóng xạ 20

CHUONG 2: MOT SO UNG DUNG CUA HIEN TUQNG PHONG XA TRONG HÓA HỌC VÀ SINH HỌC -2- s2 sssscsssesserssee 23 2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực hoá học . -2- 2+ ©+++cx+2zxerxeerrsrrrxeee 24 2.1.1 Ứng dụng trong việc xác định cơ chế một số phản ứng hữu cơ 24

2.1.2 Ứng dụng trong phân tích hoá học - 2-2 2+x++£s+£se+xzrxezxeee 26 2.1.3 Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong việc nghiên cứu chất xúc tác 27

2.1.4 Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong xử lý nước thải -2 5z: 28 2.1.5 Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong xác định tuổi cổ vật . 29 2.1.6 Ứng dụng trong cải tiễn chất tổng hợp -: 55c cscccxccrserrxree 31 2.2 Ứng dụng trong lĩnh vực sinh học . 2- 2 ©+++cxe+zxzzxevrrxrrrrrre 34

2.2.1 Đối với thực vật cccccvrrvrrrrrrrrrirrrrrrrrrrrrrriiiiiiiiiiiiirrrreee 35

2.2.1.1 Ứng dụng kĩ thuật phóng xạ trong khứ trùng, bảo quản và biến tính vật I0 .ÔỎ 35 2.2.1.2 Ứng dụng kĩ thuật hạt nhân và đồng vị phóng xạ trong nông nghiệp 36 2.2.2 Phục vụ nhu cầu của ngành y tẾ -2¿22©2sc2EE2EEt2EEsrkerrrrrrrrrre 38 2.2.2.1 Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong chân đoán bệnh và xạ trị 39 2.2.2.2 Dược chất phóng xạ trong điều trị ung bướu -.: -¿ 45

KẾT LUẬN . -55 S5< SE 1122112211211 T1 HH Hàn ngay 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22-22 2s E2 E2EEEEE152715171521122E1e 1e, 54

: 1-Hydroxyl Ethylidene-1,1-DephosphoneAcid (C,HgO7P>)

: Instrumental Neutron Activation Analysis

Khoa học-công nghệ

: Photpho

: Positron Emision Tomography Scanner

Pronpt Gamma Neutron Activation Analysis

: Royal Norfolk Agricultural Association

: Single Photon Emission Compluted Jomography (Thiét bi xa tri ung

: Trung ương 2

: Uranium

: Ultralviolet: Tia cue tim

: X-Ray Fluoreseence Analysis

: Anpha

: Beta

: Gamma

X Các đông vị phóng xạ trong tự nhiên có thời gian bán huỷ trên 22 một ngày

2.1 | Các hạt nhân phóng xạ dùng trong điều trị 52

DANH MUC CAC HiNH

1.1 | Mô hình mẫu hành tinh nguyên tử của Bo 9 Dòng tia anpha có thê đễ dàng chặn lại bởi một tờ giấy, tia beta

1.2 | can miéng kim loại để chặn; còn tia gamma cần một khối vật| 20

chất có mật độ dày đặc chặn lại

2.1 | May PET 45

2.2 | Chân đoán băng phương pháp soi hình (chụp X quang) 47

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bên tự biến đổi

và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ) Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là các đồng vị bền Các nguyên tổ hoá học chỉ gồm các đồng

vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ

Hoá học phóng xạ là chuyên ngành nghiên cứu sự hiện hữu, phương pháp điều chế và ứng đụng của các chất phóng xạ vào thực tiễn cuộc sống

Ngày nay, hiện tượng phóng xạ và các đồng vị phóng xạ được ứng dụng

rộng rãi trên mọi lĩnh vực của khoa học đời sống như: cơ học và vật lý, luyện kim, khảo cổ học, y học, nông nghiệp Ngoài ra việc ứng dụng năng lượng nguyên tử vào mục đích hoà bình, bao gồm cả phát triển điện hạt nhân, dường

như là đòi hỏi tất yếu của sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Tù việc nghiên cứu một sé ứng dụng của hiện tượng phóng xạ và các hiện

tượng phóng xạ trong hoá học và sinh học giúp cho bản thân nâng cao sự hiểu biết của mình về hoá học phóng xạ đặc biệt là những ứng dụng của chất phóng

xạ Với những lý do trên đây tôi đã tiền hành nghiên cứu đề tài: “Tìm hiểu một

số ứng dụng của hiện tượng phóng xạ trong hóa học và sinh học”

2 Mục đích nghiên cứu

- Sơ lược lý thuyết về hiện tượng phóng xạ

- Tìm hiểu một số ứng dụng của hiện tượng phóng xạ trong hoá học và

sinh học

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Thông qua việc tìm hiểu lý thuyết về hiện tượng phóng xạ biết được những tác động của chất phóng xạ đối với môi trường vật chất từ đó có những hướng xử lý có lợi cho môi trường và cho các hoạt động sống của chúng ta

Từ việc tìm hiểu một số ứng dụng của hiện tượng phóng xạ trong hoá học

và sinh học chúng ta sẽ sử dụng có hiệu quả hơn các nguồn phóng xạ trong tự nhiên cũng như nhân tạo vào mọi lĩnh vực của khoa học đời sống cũng như vì

mục đích hòa bình bảo vệ đất nước

CHUONG 1: SO LUQC LY THUYET VE

HIEN TUQNG PHONG XA

1.1 Sơ lược về cấu tạo nguyên tử

1.1.1 Mô hình về nguyên tử

1.1.1.1 Mô hình sơ khai về nguyên tử

Mô hình nguyên tử là một thành phần của lý thuyết nguyên tử, nó phát biểu rằng: nguyên tử được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn được gọi là các hạ hạt nguyên tử

Democritus và John Dalt cho rằng nguyên tử không có cấu trúc tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì thế người ta

thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử Vào đầu thế ki XX,

các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng: nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạ hạt

nguyên tử được gọi là proton, nơtron và điện tử Cá proton và nơtron nằm ở trung tâm nguyên tử tạo nên hạt nhân nguyên tử và điện tử chiếm khoảng không gian xung quanh hạt nhân đó Số hạt nguyên tử và sự sắp xếp của các hạt đó trong nguyên tử sẽ xác định tính chất hóa học của nguyên tố Nguyên tử của cùng loại nguyên tố có thể có số nơtron khác nhau (được gọi là các đồng vị) và

số điện tử giống nhau Số proton là yếu tố quyết định tính chất hóa học của

nguyên tố

1.1.1.2 Việc tìm ra điện tử

Năm 1897, nhà bác học người Anh Thomson nghiên cứu sự phóng điện giữa hai điện cực đặt trong một ống gần như chân không và thấy màn huỳnh

quang trong ống phát sáng do những tia phát ra từ cực âm và được gọi là tia âm cực

Tia âm cực có các đặc tính sau:

- Trên đường đi của nó, nếu ta đặt một chong chóng nhẹ thì chong chóng

bị quay Điều đó cho thấy tia âm cực là chùm hạt vật chất có khối lượng và

chuyển động với vận tốc lớn

- Khi không có tác dụng của điện trường và từ trường thì tia âm cực truyền thang

- Khi cho tia âm cực đi vào giữa hai bản điện cực mang điện tích trái dấu,

tia âm cực lệch về phía cực dương Điều đó chứng tó tia âm cực là chùm hạt mang điện tích âm

Người ta gọi những hạt tạo thành tia âm cực là electron, kí hiệu là e

Bằng thực nghiệm người ta có thể xác định chính xác khối lượng và điện

tích của điện tử

- Khối lượng: mạ= 9,109.10”Ÿg = 5,4858.10u

- Điện tích: e = -1,602.10'”c = ey

Điện tích q = -I,602.10'” kí hiệu là eạ được dùng làm đơn vị điện tích

Điện tích của điện tử thường được kí hiệu là 1-

1.1.1.3 Mô hình đầu tiên về nguyên tử

Dựa trên một số giả thuyết do Lord Kelvin đưa ra và các kết quả của Milikan năm 1902 Thomson đưa ra mô hình nguyên tử đầu tiên Mô hình cho

rằng các điện tử mang điện tích âm được trộn lẫn trong vật chất mang điện tích

dương, giống như các quả mận được trộn lẫn trong bánh, mô hình này còn được

gọi là mô hình bánh mận Nếu một điện tử bị xê dịch thì nó sẽ bị kéo về vị trí

ban đầu Điều này làm cho nguyên tử trung hòa về điện và ở trạng thái ổn định 1.1.1.4 Việc tìm ra proton

Năm 1913 nha vat ly nguoi anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-

1915) thay rang mỗi nguyên tố có một điện tích dương duy nhất tại hạt nhân

nguyên tử Do đó hạt nhân phải chứa một loại hạt mang điện tích dương được goi la proton

Người ta đã tìm ra được khối lượng và điện tích của proton

- Khối lượng: m,=1,00724u = 1,6725.10”g

- Điện tích: q;=1,602.10 ''e (+eụ hay 1+)

1.1.1.5 Việc tìm ra nơtron

Nhà vật lý người Pháp Irene Joliot-Curie (1897-1956) đã tiến hành một thí nghiệm, bà bắn phá một mẫu beryllium bằng chùm hạt œ và làm phát ra một

chùm hạt mới có khả năng thấm sâu vào vật chất nhiều hơn hạt œ Năm 1932 nhà

vật lý người anh James Chadwick (1892-1974) phát hiện ra rằng chùm hạt đó được tạo thành từ các hạt có cùng khối lượng với proton Do từ trường không

làm lệch hướng chuyển động của hạt này nên nó là một hạt trung hòa về điện và

ông gọi nó là nơtron

Khối lượng và điện tích của nơtron:

- Khối lượng: mạ = 1,0086u = 1,6748.10°g

- Điện tích: qạ=0

Và mô hình nguyên tử của Rutherford lúc do 1a: proton va notron tạo nên hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh và chiếm phần lớn thể tích

của nguyên tử đó Khối lượng của điện tử rất nhỏ so với khối lượng của hạt nhân nguyên tử Đến lúc đó người ta vẫn không hiểu tại sao điện tử lại có thể ổn định trong nguyên tử mà không bị rơi vào hạt nhân

Câu trả lời hoàn thiện đến từ nguyên lý bất định Heisenberg, nó phát biêu

rằng: một hạ hạt lượng tử như electron không thể nào xác định được vị trí và động lượng cùng một lúc Đề hiểu được sự hoạt động của nguyên lý này, ta giả

sử đặt một điện tử vào một cái hộp nhỏ Các bức thành hộp đó có độ lệch là ồ,,

hộp này càng nhỏ ta càng biết rõ vị trí của điện tử trong hộp hơn Khi cái hộp nhỏ lại, sự bất định của động năng của electron tăng lên là kết quả của sự bất định vì điện tử sẽ có động năng lớn, nó có thể xuyên thủng thành hộp và thoát ra ngoài hộp

Vùng gần hạt nhân có thể được xem như một cái hộp phễu cực nhỏ, các bức thành của nó tương ứng với lực hút tĩnh điện, cái phải lớn hơn nếu một

electron bị chế ngự bên trong vùng này muốn thoát ra ngoài Khi một điện tử bị

kéo lại gần hạt nhân bởi lực hút tĩnh điện vùng thể tích của nó bị giảm đi một

cách nhanh chóng Do vị trí của nó dễ xác định hơn, động năng của nó lúc này

lại trở nên bất định, động năng của điện tử tăng lên một cách nhanh chóng, hơn

là thế năng của nó để rơi vào hạt nhân Vì vay no bj bat lai toi qui dao thap nhất,

tuong ung n= 1

1.1.1.6 Ban chất lưỡng tính

Năm 1905 khi giải thích cho hiệu ứng quang điện Albert Einstein cho rằng ánh sáng không chỉ được phát xạ theo từng lượng tử mà còn bị hấp thụ theo từng lượng tử Ánh sáng vừa có tính chất sóng và tính chất hạt Mỗi hạt ánh sáng

được gọi là một quang tử (photon) có năng lượng là một lượng tử ánh sáng Một

lượng tử của sóng điện tử tỉ lệ với tần số của nó với hệ số tỉ lệ được gọi là hằng

số plank

1.1.1.7 Mô hình nguyên tử của Bohr

Năm 1913 nhà vật lý lý thuyết người Đan Mạch Niels Bohr (1885-1962) đưa ra mô hình bán cô điển về nguyên tử hay còn gọi là mô hình nguyên tử của Bohr Bohr thay đổi mô hình của Rutherford bằng cách giả thiết rằng các điện tử chuyên động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo có năng lượng và bán kính

cố định Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo của điện tử đó

Điện tử nằm trên quỹ đạo có bán kính nhỏ nhất sẽ có năng lượng nhỏ nhất và đó

là trạng thái năng lượng ồn định nhất của điện tử, điện tử không thể nằm ở các

trạng thái nào thấp hơn trạng thái đó Tuy vậy điện tử có thể có năng lượng cao hơn khi nó nằm trên các quỹ đạo xa hạt nhân hơn, lúc này điện tử nằm ở trạng thái kích thích

Hình 1.1: Mô hình mẫu hành tỉnh nguyên tử của Bohr

Truong Thi Thuy — K33A — Sp Hoa hoc

Khi chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, điện tử có thé hap thụ phát ra năng lượng Năng lượng hấp thụ và phát xạ của một điện tử chính bằng sự sai khác năng lượng giữa các quỹ đạo Bằng mô hình đó, Bohr có thé tính được năng lượng của điện tử trong nguyên tử hyđrogen từ phố phát xạ của nguyên tử đó Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Bohr không thể giải thích tính chất của các nguyên tử có nhiều hơn một điện tử

1.1.1.8 Mô hình nguyên tử hiện đại

Mô hình nguyên tử hiện đại là mô hình nguyên tử dựa trên cơ học lượng

tử Cơ học lượng tử được phát triển dựa trên sự đóng góp của nhiều người Dựa trên cơ học lượng tử người ta thay đổi mô hình nguyên tử của Bohr để xây dựng

lên mô hình hiện đại về nguyên tử

Quỹ đạo xác định trong mô hình Bohr được thay bằng một quỹ đạo xác

suất, trên đó nguyên tử có thé duoc tim thay với một xác suất nhất định Quỹ đạo khả dĩ hay là trạng thái khả dĩ của điện tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử

Sự sắp xếp của các điện tử trong nguyên tử tuân theo nguyên lý Aufbau tức là các điện tử sẽ chiếm các trạng thái có năng lượng thấp nhất Nhưng chúng phải thỏa mãn nguyên lý ngoại trừ Pauli nói rằng: không thể có nhiều hơn hai điện tử trong nguyên tử ở trạng thái năng lượng có bốn số lượng tử giống nhau Sau đó chúng phải thỏa mãn quy tắc Hund phát biểu rằng: các điện tử sẽ chiếm quỹ đạo sao cho chúng có số quỹ đạo nhiều nhất đối với một điện tử

Đến đây có thể nói mô hình nguyên tử được chấp nhận ngày nay như

sau:

- Nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở

trung tâm nguyên tử và các điện tử mang điện tích âm chuyên động xung quanh

- Hạt nhân được tạo thành từ các proton mang điện tích dương và các hạt

nơtron không mang điện Mỗi nguyên tố chỉ có một số proton duy nhất nhưng có

số nơtron khác nhau (các đồng vị) Hạt nhân của nguyên tử chiếm một vùng không gian rất nhỏ bé so với nguyên tử

- Các điện tử chuyên động xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo Sự sắp xếp của các quỹ đạo trong nguyên tử được gọi là cấu hình nguyên tử Mỗi quỹ

đạo được đặc trưng bởi ba số lượng tử là: số lượng tử chính, sỐ lượng tử phụ và

số lượng tử từ Trên mỗi quỹ đạo có thể có hai điện tử nhưng hai điện tử này phải có một số lượng tử là spin khác nhau

- Các quỹ đạo của điện tử không phải là những đường có định mà là sự

phân bố xác suất mà các điện tử có thê có mặt

- Các điện tử sẽ chiếm các quỹ đạo có năng lượng thấp nhất Chỉ có các điện tử ở lớp ngoài cùng mới có khả năng tham gia để tạo các liên kết hóa học

1.1.2 Kích thước và khối lượng nguyên tử

1.1.2.1 Kích thước của nguyên tử

Nếu hình dung nguyên tử như một quả cầu, trong đó có các electron chuyên động rất nhanh xung quanh hạt nhân thì nó có đường kính khoảng

10°'°m

Để biểu thị kích thước nguyên tử người ta dùng đơn vị nanomet (nm) hay angstron (A°)

Inm = 10°m; 1A°= 10m

Nguyên tử nhỏ nhất là nguyên tử H có bán kính khoảng 0,053nm

Đường kính của hạt nhân nguyên tử còn nhỏ hơn vào khoảng 10 nm Như vậy đường kính của nguyên tử lớn hơn đường kính của hạt nhân

khoảng 10.000 lần

Đường kính của proton và electron còn nhỏ hơn nhiều (khoảng 10%nm)

electron chuyên động xung quanh hạt nhân trong không gian rỗng của nguyên tử 1.1.2.2 Khối lượng của nguyên tử

Ta khó tưởng tượng được rằng 1g của bất kì chất nào cũng chứa tới hàng tỉ

tỉ nguyên tử Để biểu thị khối lượng của nguyên tử, phân tử và các hạt proton, nơtron, electron người ta phải dùng đơn vị khối lượng nguyên tử kí hiệu là u, u

còn được gọi là đơn vị cacbon (đvC)

lu = 1/12 khối lượng của một nguyên tử đồng vị cacbon 12

Nguyên tử này có khối lượng là 19,9265.10 ” kg

lu = 19,9625.107/12 = 1,6605.107’kg

Khối lượng một nguyên tử Hlà 1,6738.10°’kg ~ 1,008u = lu

Khối lượng của một nguyên tử C là 19,9625.10 kg = Iu

1.1.3 Lớp và phân lớp electron

1.1.3.1 Lớp electron

Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao và sắp xếp thành từng lớp Các electron ở gần hạt nhân hơn liên kết bền chặt hơn với hạt nhân Vì vậy, electron ở lớp trong có mức năng lượng thấp hơn so với ở các lớp ngoài

Các electron trên cùng một lớp có mức năng lượng gần bằng nhau

Các lớp electron này được ghi bằng các số nguyên theo thứ tự n = 1, 2, 3,

4 với tên gọi tương ứng là: K, L,M,N

1.1.3.2 Phân lớp electron

Mỗi lớp electron lại chia thành các phân lớp

Các electron trên cùng một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau

Các phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái thường s, p, d, f

Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó

Các electron ở phân lớp s được gọi là các electron s, ở phân lớp p được gọi

la cac electron p

1.1.3.3 Số electron tối đa trong một phân lớp, một lớp

Số electron tối đa trong một phân lớp như sau:

- Phân lớp s chứa tối đa 2 electron;

- Phân lớp p chứa tối đa 6 electron;

- Phân lớp đ chứa tối đa 10 electron;

- Phân lớp f chứa tối đa 14 electron;

Phân lớp đã có đủ số electron tối đa gọi là phân lớp electron bão hòa Từ

đó suy ra số electron tối đa trong một lớp

- Lớp thứ nhất có 1 phân lớp chứa tối đa 2 = 2.1” electron;

- Lớp thứ hai có 2 phân lớp chứa tối đa 8 = 2.2’ electron;

- Lớp thứ ba có 3 phân lớp chứa tối đa 1§ = 2.3” electron;

Vậy: Số electron tối đa của lớp thứ n là 2.n”

Lớp electron đã có đủ số electron tối đa gọi là lớp electron bão hòa

Bằng lý thuyết và thực nghiệm người ta đã xác định được thứ tự các mức năng lượng trong nguyên tử: 1s2s2p3s3p4s3d4p5s

1.1.3.4 Obitan nguyên tử

Obitan nguyên tử là một hàm số toán học mô tả trạng thái của một

electron trong nguyén tử Vì là một hàm số nên hình dạng của các obitan nguyên

tử là những mô hình toán học chứ không phải mô hình vật lý

Obitan nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân, tại đó xác suất có mặt (hay xác suất tìm thay) electron là lớn nhất

Mỗi obitan chứa tối đa 2 electron nên: Phân lớp s có 1 obitan, phân lớp p

có 3 obitan, phân lớp d có 5 obifan

Các obitan có hình dạng khác nhau, ví dụ: obitan s có dạng hình cầu,

obitan p có dạng hình số tám nổi

1.2 Đặc điểm, cấu trúc và năng lượng liên kết hạt nhân

1.2.1 Lực hạt nhân

- Lực tương tác giữa các nucleon gọi là lực hạt nhân

- Lực hạt nhân là một loại lực mới truyền tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân, còn gọi là lực tương tác mạnh

- Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân

- Độ chênh lệch khối lượng đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là

Am

Am = Zm, + (A — Z)mạ - m(2x)

1.2.2.2 Năng lượng liên kết hạt nhân (En,)

Những qui luật quan sát được về tính bền của các hạt nhân có thể giải thích được thông qua việc tính toán năng lượng liên kết của các nucleon trong

hạt nhân Người ta đưa ra nhiều mô hình cấu tạo hạt nhân, như mẫu giọt, mẫu vỏ,

mẫu suy rộng (tập thể), mẫu quang học, nhưng không có mẫu nào mô tá được moi tinh chất của hạt nhân nguyên tử Đề tính toán năng lượng liên kết của hạt

nhân, mẫu giọt là thuận tiện hơn cả Theo mẫu nảy, hạt nhân nguyên tử được xem như giọt chất lỏng, ở đó các nucleon đóng vai trò tương tự như các phân tử

trong chất lỏng Những tính chất đặc trưng của các giọt lỏng là các lực liên kết, sức căng bề mặt và khuynh hướng tách đôi khi giọt quá lớn

Tính năng lượng liên kết theo độ hụt khối

Ex = [Zm, + (A-Z)m, — m(2x)]cŸ

Hay: Ex = Amc?

Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số cỶ

1.2.2.3 Năng lượng liên kết riêng

Năng lượng liên kết riêng, kí hiệu Ei/A, là thương số giữa năng lượng liên

kết Eụ và số nucleon A

Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân 1.2.2.4 Năng lượng liên kết của proton hoặc nơtron cuối cùng

Năng lượng liên kết của proton cudi ciing SE, (proton) duge tinh theo độ

hụt khối khi một proton kết hợp với một hạt nhân để tạo thành một hạt nhân có

số thứ tự tăng thêm một:

8Eg (proton) = (24 + Mụ -ZM )cŸ

Năng lượng liên kết của nơtron cuối cùng õEsg (proton) được tính theo độ

hụt khối khi một nơtron kết hợp với một hạt nhân để tạo thành một đồng vị có số

khối tăng thêm 1:

8Es (notron) = (2M + My - 411 Je”

1.3 Hiện tượng phóng xạ

1.3.1 Sự tìm ra hiện tượng phóng xạ

Năm 1896 nhà bác học người pháp Henri Becquerel phát hiện ra rằng, đù

không bị chiếu sáng, kính ảnh vẫn hóa đen khi tiếp xúc với quặng urani Những

nghiên cứu tiếp theo với các hợp chất khác nhau của urani đã đưa ông đến kết luận rằng, các hợp chất này phát ra những tia không nhìn thấy được nhưng tác dụng lên kính ảnh gọi là các tia phóng xạ Sự phát ra tia phóng xạ gọi là hiện tượng phóng xạ

Hai nam sau (1898) Piere va Marie Curie ở pháp, G.C.Schmid ở đức cũng quan sát được tác dụng tương tự của quặng Thori Mặc dù Becquerel và một số nhà bác học khác đã quan tâm đến hiện tượng phóng xạ sớm hơn vài năm nhưng chỉ chính vợ chồng Curie đã đưa ra kết luận quan trọng cho rằng sự phóng xạ là một hiện tượng nguyên tử, đặc trưng cho nguyên tô hóa học và liên quan với dạng hợp chất mà nó tồn tại Sự ngờ vực về khả năng tồn tại các hợp phần phóng

xạ mạnh hơn urani trong các khoáng vật này đã thúc đây gia dinh Curie tiến hành

nghiên cứu phân chia các khoáng tự nhiên, điều thường được coi là các thí nghiệm hóa phóng xạ đầu tiên, và nhờ thế đã tìm ra radi (1902) và poloni

Rutherford là người đầu tiên đã đánh giá gần đúng năng lượng liên quan đến các tia phóng xạ mà bấy giờ còn chưa rõ bản chất Nối tiếp ý tưởng ấy, Curie

đã đo tổng đương lượng nhiệt của năng lượng phóng xạ rađi và đưa ra giá trị

100cal⁄s đối với 1g radi

Mùa xuân năm 1903 Rutherford và Soddi đã công bố các quan niệm rõ ràng về bản chất của hiện tượng phóng xạ Theo hai ông, sự phóng xạ là quá trình các nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ tự nhiên biến đổi thành các nguyên tử của nguyên tố khác kèm theo sự phát ra các tia phóng xạ Sự phóng xạ

là sự biến đổi trong giới hạn nguyên tử Tuy nhiên phải tám năm sau Rutherford mới đưa ra khái niệm hạt nhân nguyên tử, cho phép con người đi sâu hơn nữa vào bản chất của hiện tượng phóng xạ

1.3.2.Tính chất của các nguyên tố phóng xạ

Tia phóng xạ theo nghĩa gốc là các dòng hạt chuyên động nhanh phóng ra

từ các chất phóng xạ (các chất chứa hạt nhân nguyên tử không ở trạng thái bền) Các hạt phóng xạ có thể chuyên động thành dòng định hướng

Rutherford đã nghiên cứu bức xạ phát ra từ rađi, ông đặt một lượng chất phóng xạ ở đáy một bình bằng chì dày Chì sẽ ngăn cho máy khỏi bị tác dụng của bất kì một bức xạ nào khác và cho phép tập trung được tia rađi lên tắm phim

ảnh

Dưới tác dụng của từ trường, tia phóng xạ bị tách thành 3 loại bức xạ,

Rutherford gọi những tia bức xạ này là tia a, tia B và tia y Ông thấy các chất phóng xạ đều phát ra những tia đó

- Tia œ: gồm các hạt œ có điện tích gấp đôi điện tích proton, đó là dong

những nguyên tử Heli tích điện dương Như vậy hạt anpha là hạt nhân của

nguyên tử Heli (nguyên tử Heli mắt đôi điện tử hành tinh), hạt đó gồm hai proton

và hai nơtron mang điện tích +2 Khi phát ra từ hạt nhân nguyên tử của nguyên

tố phóng xạ, hạt anpha có tốc độ hơn 16000 km/s Trên đường đi, chúng va chạm với hàng ngàn phân tử của không khí, chuyên động của chúng bị giám và cuối cùng chi đi được chừng 8 em Khi va chạm như vậy không phải chỉ sinh ra nhiệt

mà còn hình thành cả các hạt điện tích (Ion hoá), nghĩa là hạt anpha làm một số

phân tử của không khí mắt điện tử

Những phân tử của không khí bị ion hoá có thê là trung tâm ngưng tụ hơi

ấm và nhờ đó ta có thể quan sát và chụp ảnh đường đi của hạt anpha Wilson là người đầu tiên đã làm thí nghiệm như vậy, ông đặt một lượng nhỏ chất phóng xạ

trong bình không khí bão hoà hơi nước Khi làm lạnh, hơi nước ngưng tụ lại

thành những giọt nước nhỏ như sương ở những chỗ có những phân tử của không khí bị ion hoá Ta có thể chụp ảnh vệt sương, việc đó có ý nghĩa rất lớn đối với việc nghiên cứu tính chất hạt anpha

Có thể phát hiện các hạt anpha nhờ một dụng cụ gọi là kính nhấp nháy Kính này gồm một tờ giấy phủ một lớp kẽm sunfua đặt ở đầu một ống nhỏ gần trụ đỡ, ở đó có đặt một lượng nhỏ rađi hay chất phóng xạ khác, ở đầu kia của ống

có lắp một thấu kính để quan sát Lúc mỗi hạt anpha đập vào màn kẽm sunfua ta

sẽ thấy xuất hiện nhấp nháy Qua thấu kính ta phát hiện thấy các nhấp nháy giống như các vì sao lấp lánh Nhờ kính nhấp nháy ta không những quan sát

được tác dụng của tia anpha mà còn có thê đếm được số va chạm Ta có thể đếm

được các hạt anpha chính xác hơn bằng ống đếm nhấp nháy, ở đây mỗi nhấp nháy được phát hiện nhờ tế bào quang điện và ghi lại bằng máy tính cơ học Máy

tính cơ học đặt trong mạch điện của máy

- Tia B: gdm cac electron ty đo, tương tự tia âm cực nhưng được phóng xạ

với vận tốc lớn hơn nhiều, khoảng 100.000km⁄s

- Tia y: là dòng các hạt photon không mang điện tích, có bản chất gần giống ánh sáng nhưng bước sóng nhỏ hơn, chuyển động với tốc độ ánh sáng Dòng các hạt nơtron không có điện tích, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (phát ra cùng với các hạt B trong phan ra B)

Ngoài sự phân rã tự nhiên của các chất phóng xạ, tia phóng xạ cũng còn được quan sát từ các nguồn khác nhau như các lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hay va chạm của các tia vũ trụ trong khí quyền trái đất Các lò phản ứng hạt nhân

có thể tạo ra dòng hạt nơtron mạnh Các máy gia tốc có thé sinh ra dòng các hạt

tổ hợp có khối lượng cao hơn Thuật ngữ tia phóng xạ cũng có thể mở rộng, để bao gồm các dòng hạt chuyển động nhanh phát ra từ các nguồn này

Tương tác với vật chất:

Các hạt œ có thể dễ dàng chặn lại bởi một tờ giấy Tia B cần miếng kim loại để chặn Trong khi đó dòng tia y có khá năng xuyên qua vật chất cao, cần

một khối vật chất có mật độ dòng đặc chặn lại

Y

Hình 1.2: Dòng tia alpha có thể dễ dàng chặn lại bới một tờ giấy, tia beta cần miếng kim loại để chặn; con tia gamma can mot

khối vật chất có mật độ dày đặc chặn lại

Một tính chất kì lạ khác của các nguyên tố phóng xa là hạt nhân của chúng không bền Hạt nhân của nguyên tố phóng xạ đường như không “thoả mãn” với lượng proton va notron có trong hạt nhân như vậy, nó không ngừng phóng ra hạt

anpha và beta cho đến khi đạt cấu hình bền vững Ví dụ nguyên tứ rađi biến đổi liên tiếp thành chín nguyên tố khác nhau Khi đó nó mất đi năm hạt anpha và bốn

hạt beta, cuối cùng đạt được cấu hình bền vững của đồng vị chì có khối lượng

nguyên tử là 206 Quá trình phân hủy tự nhiên cua radi dé tao thành đồng vị bền

của chì như vậy diễn biến trong một thời gian khá lâu Do các nguyên tố phóng

xạ luôn luôn bị phân huý tự nhiên, vì thế có thé cho là cuối cùng tất cả các

nguyên tử phóng xạ của các nguyên tố này sẽ không còn nữa Có thể xác định

được khá chính xác thời gian phân huỷ tự nhiên đó

Từ một mẫu có chứa một lượng xác định nguyên tử rađi bằng cách đếm số hạt anpha phát ra trong một giây ta thấy: sau 1590 năm một nửa số nguyên tử rađi sẽ bị phân huỷ Nói chung, khoảng thời gian để một nửa lượng nguyên tổ phóng xạ ban đầu phân huỷ gọi là chu kỳ bán huỷ của nguyên tố đó Lấy rađi

làm ví dụ, sau 1590 năm, mẫu rađi đầu chỉ còn lại một nửa Sau 1590 năm nữa

còn lai 1/4 va qua 1590 năm nữa còn lại 1/8 Chu kỳ bán huỷ của các nguyên tố rất khác nhau, chu kỳ bán huý của urani là bốn tỷ rưỡi năm và đồng vị của rađi gọi là rađi C¡ có chu kỳ bán huỷ là 0,00001s Các nguyên tố phóng xạ khác có chu kỳ bản huỷ ở giữa hai giá trị đó Hình như tốc độ phân huỷ của hạt nhân nguyên tô phóng xạ chỉ phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử Nhiệt độ, ánh sáng, phản ứng hoá học không ảnh hưởng gì đến đại lượng đó cả

1.3.3 Các chất phóng xạ trong tự nhiên, đơn vị đo hoạt tính phóng xạ

Một phần nhỏ các chất phóng xạ trong tự nhiên nằm trong khí quyền là

các nguyên tố nhẹ, sản phẩm của các bức xạ vũ trụ như 4c Be va 7H Mot số

nguyên tó phóng xạ tự nhiên có thời gian bán hủy trên một ngày được thông kê ở bang 1.1

Bảng 1.1 Các đồng vị phóng xạ trong tự nhiên

có thời gian bán hủy trên một ngày

“°U(UIEUram) | 4,47.10°nam | ơ,y,e (s0 99,276 Ho Urani

“4U(UID 2,44.10°nam |a.y,e (sf) | 0,00055 —

Đo hoạt tính phóng xạ tự nhiên là công cụ quan trọng để xác định tuổi

khoáng vật

Trong hệ SI, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là becquerel, viết tắt là Bq, được

xác định là một phân rã trong một giây nghĩa là: IBq = Is”

Trong thực tế để đo hoạt độ phóng xạ người ta thường sử dụng đơn vị uri

và các ước số và cả các bội số của nó Ban đầu curi ding dé chi long radon nam cân bằng với 1g radi Vé sau nó được dùng làm đơn vị đo tốc độ phân rã của một chất phóng xạ bất kì Khi ấy curi được định nghĩa là số phân rã diễn ra trong Is

cua |g radi tinh khiết Định nghĩa này có nhược điểm là nó phụ thuộc vào độ

chính xác của việc xác định nguyên tử lượng của rađi Vì thế năm 1950 một Ủy

ban phối hợp với hiệp hội Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng với hiệp hội Vật lý ứng dụng đã đưa ra định nghĩa dưới đây cho đơn vị đo hoạt

tính phong xa curi:

“Curi là đơn vị đo hoạt độ phóng xạ bằng 3m7.10'° phân rã trong 1s” viết

tắt là CÍ

Người ta thường sử dụng các ước của Curi:

1 milicuri (mCi) = 10° curi = 3,7.10’s"

Imicrocuri (Ci) = 10” curi = 3,7.10%s”

Inanocuri (nCi) = 10° curi = 3,78"

Ipicrocuri (pCi) = 107 curi = 0,037s"

Để biểu diễn các độ phóng xạ lớn có thể đùng bội của curi, chẳng hạn:

Ikilocuri (kCi) =10°curi = 3,7.10°s"!

Một đơn vị khác cũng dùng để đo độ phóng xạ là rơzofo được định nghĩa bằng

10° phan rã trong 1s Như vậy: lmCi = 3,7 r

CHƯƠNG 2 MỘT SÓ ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG

PHÓNG XẠ TRONG HOÁ HỌC VÀ SINH HỌC

Mặc dù mãi tới năm 1896, hiện tượng phóng xạ mới được nhà bác học

người Pháp Becquerel phát hiện, nhưng các đồng vị phóng xạ đã nhanh chóng đóng vai trò đáng kể trong lịch sử phát triển của thế kỉ XX và thế kỉ chúng ta đang sống Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong các lĩnh vực khác nhau của kĩ thuật

và đời sống chủ yếu dựa trên hai yếu tố: (1) Tương tác mạnh của tia phóng xạ với môi trường vật chất mà nó đi qua; (2) Do sự phát tia phóng xạ, các đồng vị phóng xạ dễ được phát hiện bằng các máy đo phóng xạ, nên có thể đóng vai trò của các nguyên tử đánh dấu

Nghiên cứu và ứng dụng khoa học kĩ thuật được Đảng và Nhà nước ta

quan tâm từ những năm 1960, đặc biệt là đầu tư cho chuẩn bị cho nguồn nhân

lực Tổ chức của ngành hạt nhân chính thức ra đời năm 1976 và việc hoàn thành

công trình khôi phục và mở rộng lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt vào tháng 3 năm

1984 đã tạo ra bước phát triển nhảy bậc trong lĩnh vực này Ngày nay kĩ thuật hạt nhân và đồng vị phóng xạ được ứng dụng có hiệu quá vào nhiều lĩnh vực khác

nhau của đời sống xã hội Các hướng ứng dụng tiêu biểu của kĩ thuật hạt nhân có thể kể đến là: sản xuất đồng vị và điều chế được chất phóng xạ phục vụ chân đoán và điều trị bệnh, sử dụng kĩ thuật nguồn kín để xây dựng các hệ đo đạc hạt

nhân như đo mức chất lỏng, đo độ dày, độ ẩm của vật liệu, Trong các day chuyền tự động hóa của các nhà máy công nghiệp phát triển các kĩ thuật phân tích hạt nhân để tham gia vào các công trình thăm dò, khai thác tài nguyên

khoáng sản và nghiên cứu bảo vệ môi trường, sử dụng các đông vị tự nhiên và

nhân tạo đề đánh giá một số quá trình trong tự nhiên như hiện tượng bồi lấp, xói mòn, sử đụng các nguồn bức xạ cường độ cao đề khử trùng các dụng cụ, chế phẩm và bảo quản thực phẩm, dược phẩm, ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong nông nghiệp và sinh học

2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực hóa học

2.1.1.Ứng dụng trong việc xác định cơ chế một số phản ứng hữu cơ

Trong một vài phản ứng hóa học, việc xác định cơ chế của phản ứng bằng những phương pháp thông thường rất khó khăn Trong trường này để xác định

cơ chế của phản ứng người ta phải dùng phương pháp nguyên tử đánh dấu, sử dụng các đồng vị phóng xạ để tìm hiểu cơ chế của phản ứng

Trong phản ứng este hóa và thủy phân este trong môi trường axit Về mặt

lý thuyết ta có thể đự đoán có bốn cơ chế, kí hiệu là AcA2, AcAl, AnkAl và

AnkA2, tùy theo liên kết bị đứt ra trong phản ứng là axyl — oxi hay ankyl — oxi

và tùy theo phản ứng là lưỡng phân tử hay đơn phân tử

Bằng phương pháp động học ta xác định được phản ứng là lưỡng phân tử, muốn biết phản ứng xảy ra theo sự phân cắt nào người ta dùng phương pháp nguyên tử đánh đấu (sử dụng đồng vị phóng xạ ''O) và chứng minh được rằng oxi nặng nằm trong cấu tạo của este còn nước thì không có, tức là phản ứng xảy

ra theo cơ chế AcA2

C,H;COOH +H- ”O- CH; #CsHsCO'OCH; + HO

Nhưng khi thủy phân este của ancol bậc cao trong môi trường axit mạnh RCOOCR;R¿R; + H” “SRcoon +R¡R;R;C”

R¡R;RạC + HO ->R¡R;R;C - OH + H”