Hóa học hạt nhân — Phân rã, chu kỳ bán rã và ứng dụng

Hóa học hạt nhân giải thích điều gì xảy ra khi hạt nhân nguyên tử thay đổi. Những ý chính học sinh thường cần nắm là phân rã phóng xạ, chu kỳ bán rã và vì sao các hạt nhân không bền lại quan trọng trong y học, xác định niên đại và năng lượng.

Nếu một hạt nhân thay đổi số proton hoặc neutron, thì đó không còn là một phản ứng hóa học thông thường nữa. Đó là một quá trình hạt nhân, và quá trình đó có thể biến nguyên tố này thành nguyên tố khác.

Hóa học hạt nhân nghiên cứu gì

Các phản ứng hóa học thông thường sắp xếp lại electron và liên kết. Hóa học hạt nhân thì khác vì sự thay đổi xảy ra trong hạt nhân, không phải ở đám mây electron.

Sự khác biệt đó rất quan trọng vì số proton quyết định danh tính của nguyên tố. Nếu một quá trình hạt nhân làm thay đổi số proton, thì nguyên tố cũng thay đổi.

Ba kiểu phân rã bạn thường học đầu tiên

Trong các ký hiệu dưới đây, $A$ là số khối và $Z$ là số hiệu nguyên tử.

Phân rã alpha

Trong phân rã alpha, hạt nhân phát ra một hạt alpha, tức là một hạt nhân heli-4:

$${}^A_ZX \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y + {}^4_2He$$

Số khối giảm $4$, và số hiệu nguyên tử giảm $2$. Kiểu phân rã này thường gặp ở các hạt nhân rất nặng.

Phân rã beta

Trong phân rã beta trừ, một neutron trong hạt nhân biến thành một proton, và một electron được phát ra:

$${}^A_ZX \rightarrow {}^A_{Z+1}Y + e^- + \bar{\nu}_e$$

Số khối giữ nguyên, nhưng số hiệu nguyên tử tăng thêm $1$.

Còn có các quá trình beta khác, chẳng hạn như phân rã beta cộng, nhưng phân rã beta trừ là dạng mà các khóa hóa học nhập môn thường nhấn mạnh trước tiên.

Phát xạ gamma

Trong phát xạ gamma, hạt nhân giải phóng năng lượng dư dưới dạng bức xạ điện từ năng lượng cao:

$${}^A_ZX^* \rightarrow {}^A_ZX + \gamma$$

Hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích xuống trạng thái năng lượng thấp hơn. Số khối và số hiệu nguyên tử không thay đổi.

Chu kỳ bán rã có nghĩa là gì trong hóa học hạt nhân

Chu kỳ bán rã là thời gian cần để một nửa số hạt nhân phóng xạ trong mẫu bị phân rã. Điều đó không có nghĩa là mỗi hạt nhân đều tồn tại đúng bằng khoảng thời gian ấy.

Chu kỳ bán rã là một khái niệm mang tính thống kê. Nếu một mẫu có chu kỳ bán rã là $t_{1/2}$, thì sau một chu kỳ bán rã còn lại khoảng một nửa, sau hai chu kỳ còn khoảng một phần tư, và sau ba chu kỳ còn khoảng một phần tám.

Đối với phân rã phóng xạ, mô hình chuẩn là phân rã mũ:

$$N(t) = N_0 \left(\frac{1}{2}\right)^{t/t_{1/2}}$$

Ở đây $N_0$ là lượng ban đầu và $N(t)$ là lượng còn lại sau thời gian $t$.

Bạn cũng có thể viết cùng ý tưởng đó theo hằng số phân rã $\lambda$:

$$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$$

Nếu đồng vị có xác suất phân rã không đổi theo mỗi đơn vị thời gian, thì chu kỳ bán rã liên hệ với $\lambda$ bởi

$$t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$$

Trong đa số bài tập cơ bản, dạng chia đôi thường là cách suy nghĩ nhanh nhất.

Ví dụ mẫu: Tính chu kỳ bán rã

Giả sử một mẫu ban đầu có $80 \, \mathrm{mg}$ chất đồng vị phóng xạ, và chu kỳ bán rã của nó là $6$ ngày. Sau $18$ ngày thì còn lại bao nhiêu?

Trước hết, hãy đếm số chu kỳ bán rã:

$$\frac{18 \text{ days}}{6 \text{ days}} = 3$$

Vậy đã trôi qua $3$ chu kỳ bán rã. Mỗi chu kỳ bán rã làm lượng còn lại giảm đi một nửa:

$$80 \rightarrow 40 \rightarrow 20 \rightarrow 10$$

Vì thế lượng còn lại là

$$10 \, \mathrm{mg}$$

Ví dụ này cho thấy quy luật quan trọng: chu kỳ bán rã nghĩa là liên tiếp chia đôi lượng vẫn còn hiện diện. Nếu thời gian đã trôi qua không phải là bội số đẹp của chu kỳ bán rã, thì dạng hàm mũ thường thuận tiện hơn.

Trực giác chính cần ghi nhớ

Chu kỳ bán rã nói về phần còn lại, không phải lượng mất đi ở mỗi lần. Trong ví dụ trên, lượng giảm là $40 \, \mathrm{mg}$, rồi $20 \, \mathrm{mg}$, rồi $10 \, \mathrm{mg}$. Mẫu không mất cùng một khối lượng sau mỗi $6$ ngày.

Đó là lý do phân rã phóng xạ là quá trình mũ chứ không phải tuyến tính.

Những lỗi thường gặp trong hóa học hạt nhân

Nhầm lẫn giữa biến đổi hóa học và biến đổi hạt nhân

Đốt cháy, hòa tan và tạo liên kết không phải là biến đổi hạt nhân. Hóa học hạt nhân chỉ bắt đầu khi hạt nhân thay đổi.

Cho rằng chu kỳ bán rã nghĩa là biến mất hoàn toàn

Sau một chu kỳ bán rã, một nửa mẫu vẫn còn. Sau nhiều chu kỳ bán rã, lượng chất có thể trở nên rất nhỏ, nhưng mô hình không nói rằng nó đột ngột bằng không sau một số bước cố định.

Xem phân rã là tuyến tính

Các mẫu phóng xạ không mất cùng một khối lượng trong những khoảng thời gian bằng nhau. Quy luật là chia đôi lặp lại, nên các khoảng chu kỳ bán rã bằng nhau cho các phần bằng nhau, chứ không phải các khối lượng mất đi bằng nhau.

Quên điều gì thay đổi trong mỗi kiểu phân rã

Trong phân rã alpha, cả số khối lẫn số hiệu nguyên tử đều thay đổi. Trong phân rã beta trừ, số khối giữ nguyên còn số hiệu nguyên tử tăng lên. Trong phát xạ gamma, cả hai đại lượng đều không đổi.

Hóa học hạt nhân được ứng dụng ở đâu

Hóa học hạt nhân được dùng khi các biến đổi hạt nhân có thể dự đoán được trở nên hữu ích. Y học dùng đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán hình ảnh và trong một số phương pháp điều trị ung thư. Phương pháp định tuổi phóng xạ dùng các quy luật phân rã đã biết để ước tính tuổi. Công nghiệp dùng chất đánh dấu phóng xạ và các thiết bị đo phóng xạ để đo lường và kiểm soát quá trình.

Ứng dụng phụ thuộc vào đồng vị, loại bức xạ phát ra và chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã ngắn có thể hữu ích trong chẩn đoán hình ảnh y khoa vì tín hiệu suy giảm khá nhanh sau khi chụp. Chu kỳ bán rã dài có thể hữu ích trong xác định niên đại, nhưng chỉ khi đồng vị và vật liệu phù hợp với phương pháp đó. Ví dụ, định tuổi bằng carbon-14 hữu ích với vật chất từng sống, chứ không phải với mọi loại đá.

Vì sao hóa học hạt nhân quan trọng

Hóa học hạt nhân kết nối cấu trúc nguyên tử với những câu hỏi thực tế về thời gian, danh tính, năng lượng và đo lường. Khi đã hiểu kiểu phân rã và chu kỳ bán rã, nhiều ứng dụng sẽ không còn giống như những sự kiện rời rạc, mà bắt đầu giống như cùng một ý tưởng cốt lõi được dùng trong các bối cảnh khác nhau.

Hãy thử một bài tương tự

Hãy tự làm một phiên bản với mẫu $120 \, \mathrm{mg}$ và chu kỳ bán rã là $5$ ngày. Tìm lượng còn lại sau $15$ ngày, rồi kiểm tra xem đáp án của bạn có tuân theo cùng quy luật chia đôi lặp lại như ví dụ mẫu ở trên hay không.