Làm thế nào các nhà khoa học biết được một mảnh gỗ từ cây đã chết cách đây hàng nghìn năm bị đốn hạ vào lúc nào? Bí mật nằm trong các nguyên tử cacbon của mảnh gỗ. Bởi ngay trong cùng một nguyên tố cacbon vẫn có lẫn những loại nặng hơn một chút, và một phần trong số đó mất đi với tốc độ nhất định. Có thể nói mỗi nguyên tử đều chứa một chiếc đồng hồ.
Những nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố nhưng có khối lượng khác nhau như vậy được gọi là “đồng vị (Isotope)”. Tính chất hóa học của chúng gần như giống hệt nhau, nhưng do số nơtron trong hạt nhân khác nhau nên có loại mãi mãi ổn định, có loại phát ra bức xạ và biến đổi thành nguyên tố khác.
Tài liệu này sẽ lần lượt tìm hiểu ý nghĩa của đồng vị và cấu trúc nguyên tử, sự khác biệt giữa đồng vị bền và đồng vị phóng xạ, cách đo thời gian bằng cacbon, cùng những ứng dụng trong y học, năng lượng và nghiên cứu khí hậu.
Những nguyên tử sinh đôi có khối lượng khác nhau: nguyên lý và ứng dụng của đồng vị
Những nguyên tử khác nhau nằm ở cùng một vị trí
Nguyên tử gồm hạt nhân ở trung tâm và các electron chuyển động xung quanh; hạt nhân lại gồm proton và nơtron. Số proton quyết định nguyên tố đó là nguyên tố nào. Có 6 proton thì là cacbon, có 8 proton thì là oxy.
- Số hiệu nguyên tử (Atomic Number): là số proton trong hạt nhân, quyết định nguyên tử thuộc nguyên tố nào.
- Số khối (Mass Number): là tổng số proton và nơtron, biểu thị gần đúng khối lượng của nguyên tử.
- Đồng vị (Isotope): là những nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số nơtron nên có số khối khác nhau.
Vì phản ứng hóa học chủ yếu do electron đảm nhiệm nên các đồng vị có cùng số electron sẽ phản ứng gần như giống nhau. Từ đồng vị bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, gồm isos nghĩa là “giống nhau” và topos nghĩa là “vị trí”. Tên gọi này có nghĩa là chúng chiếm cùng một ô trong bảng tuần hoàn. Năm 1913, nhà hóa học người Anh Frederick Soddy đưa ra khái niệm này, còn tên gọi do Margaret Todd, một bác sĩ kiêm nhà văn người Scotland, đề xuất khi trò chuyện với ông.
Nguyên tử ổn định và nguyên tử biến đổi
Đồng vị được chia thành hai loại chính tùy theo hạt nhân có ổn định hay không. Hydro là ví dụ điển hình nhất.
(1) Đồng vị bền
Đây là những đồng vị không biến đổi theo thời gian. Hydro thông thường không có nơtron, còn deuteri có một nơtron nên nặng gấp đôi. Deuteri được nhà hóa học người Mỹ Harold Urey phát hiện vào năm 1931. Cacbon cũng chủ yếu là cacbon-12, còn khoảng 1.1% là cacbon-13 có thêm một nơtron.
(2) Đồng vị phóng xạ
Đây là những đồng vị có hạt nhân không ổn định, phát ra bức xạ và biến đổi thành nguyên tử khác. Với triti có hai nơtron, sau khoảng 12 năm, một nửa lượng triti sẽ biến thành heli.
(3) Chiếc đồng hồ mang tên chu kỳ bán rã
Thời gian để lượng đồng vị phóng xạ giảm còn một nửa lượng ban đầu được gọi là chu kỳ bán rã (Half-life). Chu kỳ bán rã gần như không đổi dù nhiệt độ hay áp suất thay đổi, nên trở thành một chiếc đồng hồ đo thời gian chính xác. Lượng đồng vị giảm đều theo quy luật: sau một chu kỳ bán rã còn một nửa, sau hai chu kỳ còn 1/4, sau ba chu kỳ còn 1/8.
Cách đo thời gian bằng cacbon
Ở trên cao trong khí quyển, tia vũ trụ (Cosmic Ray) từ không gian va chạm với không khí, liên tục tạo ra cacbon phóng xạ là cacbon-14. Thực vật hấp thụ loại cacbon này khi quang hợp, còn động vật ăn thực vật và tích lũy nó trong cơ thể.
Khi hơi thở ngừng lại, đồng hồ bắt đầu chạy
Khi sinh vật còn sống, tỷ lệ cacbon-14 trong cơ thể được duy trì gần tương đương với khí quyển. Nhưng sau khi sinh vật chết, cacbon mới không còn được đưa vào, còn lượng cacbon-14 còn lại giảm đi một nửa sau mỗi khoảng 5,730 năm. Vì vậy, đo lượng còn lại sẽ giúp tính ngược để biết sinh vật đó đã chết vào lúc nào.
Phát hiện làm thay đổi ngành khảo cổ học
Phương pháp định tuổi bằng cacbon phóng xạ (Radiocarbon Dating) này được Willard Libby tại Đại học Chicago, Mỹ, phát triển vào cuối thập niên 1940, và ông nhận giải Nobel Hóa học năm 1960 nhờ thành tựu đó. Tuy nhiên, mẫu càng cổ thì lượng còn lại càng ít, nên giới hạn có thể đo một cách đáng tin cậy thường là khoảng 5 vạn năm trước.
Đồng vị trong đời sống và khoa học
Đồng vị cũng được sử dụng rộng rãi bên ngoài phòng thí nghiệm. Chính đặc điểm có tính chất hóa học giống nhau nhưng khác về khối lượng hoặc bức xạ lại khiến chúng trở nên hữu ích.
(1) Y học phát hiện và điều trị bệnh
Khi đưa một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ vào cơ thể, có thể theo dõi nơi chúng tập trung bằng hình ảnh. Techneti-99m có chu kỳ bán rã khoảng 6 giờ được sử dụng rộng rãi trong các xét nghiệm chẩn đoán, còn iốt-131 được dùng để điều trị tuyến giáp.
(2) Nhiên liệu cho điện hạt nhân
Trong urani tự nhiên, urani-235 dễ xảy ra phân hạch chỉ chiếm khoảng 0.7%. Vì vậy, để dùng làm nhiên liệu cho nhà máy điện, urani phải trải qua quá trình làm giàu nhằm nâng tỷ lệ này lên.
(3) Băng hé lộ khí hậu quá khứ
Nước chứa oxy-18 nặng bay hơi ít hơn nước nhẹ và rơi xuống dưới dạng mưa hoặc tuyết trước. Vì vậy, đo tỷ lệ đồng vị oxy trong băng của các sông băng Nam Cực có thể giúp suy đoán nhiệt độ không khí vào thời điểm tuyết rơi.
(4) Dấu hiệu xác định nguồn gốc
Tỷ lệ đồng vị trong thực vật và động vật khác nhau đôi chút tùy theo nước, đất và khí hậu của vùng chúng sinh trưởng. Phân tích sự khác biệt này có thể xác định thực phẩm như mật ong hay rượu vang có bị pha nguyên liệu rẻ tiền hay không, và có thực sự được sản xuất tại vùng ghi trên nhãn hay không.
Đồng vị cho chúng ta biết rằng ngay cả những nguyên tử trông giống hệt nhau cũng mang những câu chuyện riêng khi nhìn sâu vào bên trong. Chỉ vài nơtron khác biệt đã có thể hé lộ tuổi của cổ vật, phát hiện bệnh trong cơ thể và kể lại cả thời tiết hàng trăm nghìn năm trước.
Hiểu rằng ngay cả những nguyên tử cùng tên cũng mang khối lượng và thời gian khác nhau chính là bước đầu tiên trên hành trình tìm hiểu sâu về thế giới nguyên tử vô hình.
