Hóa học Hạt nhân: Phân rã, Phân hạch và Nhiệt hạch

Ba dạng phân rã cổ điển

Một số hạt nhân không bền và tự phát phân rã, phát ra bức xạ. Ba loại chính:

Cơ chế phân rã beta: một neutron chuyển thành proton + electron được phát ra (hạt beta). Do đó số khối vẫn giữ nguyên (n biến thành p, vẫn là 1 nucleon), nhưng số nguyên tử tăng thêm 1.

Khả năng đâm xuyên (từ yếu đến mạnh)

Alpha < Beta < Gamma.

• Alpha: bị giấy hoặc da chặn lại
• Beta: bị lá nhôm hoặc quần áo dày chặn lại
• Gamma: cần chì dày hoặc bê tông

Tuy nhiên, alpha là dạng NGUY HIỂM NHẤT nếu nuốt hoặc hít vào, vì nó gửi toàn bộ năng lượng vào một vùng mô rất nhỏ. Alpha ở bên ngoài thì vô hại, nhưng bên trong cơ thể lại rất nguy hiểm.

Cân bằng phương trình hạt nhân

Bảo toàn HAI đại lượng ở cả hai vế:

• Tổng số khối (chỉ số trên)
• Tổng số nguyên tử (chỉ số dưới)

Ví dụ — phân rã alpha của uranium-238:

²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He

Kiểm tra: khối 238 = 234 + 4 ✓; nguyên tử 92 = 90 + 2 ✓.

Ví dụ — phân rã beta của carbon-14:

¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e

Kiểm tra: khối 14 = 14 + 0 ✓; nguyên tử 6 = 7 + (−1) ✓.

Chu kỳ bán rã — tốc độ phân rã phóng xạ

Chu kỳ bán rã là thời gian cần để một nửa mẫu phóng xạ phân rã. Nó là hằng số đối với mỗi đồng vị — không phụ thuộc nhiệt độ, áp suất, trạng thái hóa học hay kích thước mẫu.

Theo dõi phân rã: bắt đầu với N nguyên tử, sau n chu kỳ bán rã còn lại

còn lại = N × (1/2)ⁿ

Chu kỳ bán rã dao động rất lớn:

• Polonium-214: 164 micro giây
• Iodine-131: 8 ngày (dùng trong y học tuyến giáp)
• Carbon-14: 5,730 năm (dùng cho định tuổi bằng carbon)
• Uranium-238: 4.5 tỷ năm

Ví dụ: mẫu 100 g có chu kỳ bán rã 10 năm. Sau 30 năm (= 3 chu kỳ bán rã), còn lại = 100 × (1/2)³ = 100 × 1/8 = 12.5 g.

Định tuổi bằng phóng xạ

Nhờ chu kỳ bán rã không đổi, các đồng vị phóng xạ trở thành đồng hồ tự nhiên. Sinh vật sống trao đổi carbon với môi trường, duy trì tỉ lệ C-14/C-12 không đổi. Khi sinh vật chết, C-14 bắt đầu phân rã mà không được bổ sung. Bằng cách đo lượng C-14 còn lại, các nhà khoa học ước lượng được thời điểm chết — hữu ích cho mẫu hữu cơ đến khoảng 50,000 năm (≈10 chu kỳ bán rã).

Với mẫu cổ hơn (đá), người ta dùng đồng vị có chu kỳ bán rã dài hơn như potassium-40, uranium-238, rubidium-87.

Phân hạch vs Nhiệt hạch

Phân hạch — một hạt nhân NẶNG bị tách thành các mảnh nhỏ hơn + neutron + năng lượng khổng lồ. Dùng trong nhà máy điện hạt nhân và bom nguyên tử. Nhiên liệu phổ biến: uranium-235 hấp thụ neutron, trở nên bất ổn định và tách ra.

Một lần phân hạch U-235 giải phóng khoảng 200 MeV — gấp khoảng một triệu lần năng lượng của một phản ứng hóa học thông thường trên mỗi nguyên tử. Các neutron thoát ra có thể tiếp tục làm tách các U-235 khác, tạo phản ứng dây chuyền. Thanh điều khiển (bằng boron, cadmium) hấp thụ neutron thừa để duy trì phản ứng ổn định.

Nhiệt hạch — các hạt nhân NHẸ (như hydrogen) kết hợp thành một hạt nhân nặng hơn + năng lượng. Cung cấp năng lượng cho các ngôi sao, trong đó có Mặt Trời (~10⁷ kg hydrogen được nhiệt hạch mỗi giây). Nhiệt hạch giải phóng năng lượng trên mỗi gam nhiều hơn cả phân hạch, nhưng cần nhiệt độ cực cao (hàng triệu Kelvin) để vượt qua lực đẩy tĩnh điện. Bom hydrogen dùng nhiệt hạch; nhiệt hạch có kiểm soát để phát điện vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm.

Cả phân hạch lẫn nhiệt hạch đều giải phóng năng lượng vì sản phẩm có khối lượng nhỏ hơn một chút so với chất phản ứng — phần khối lượng thiếu được chuyển thành năng lượng theo E = mc² của Einstein.

Ứng dụng thực tế

• Y học: I-131 (tuyến giáp), Tc-99m (chụp PET, hình ảnh xương), Co-60 (xạ trị ung thư)
• Công nghiệp: Đầu báo khói (nguồn alpha Am-241), máy đo độ dày, tiệt trùng thực phẩm
• Năng lượng: lò phản ứng hạt nhân dùng U-235 hoặc Pu-239
• Định tuổi: C-14 cho mẫu hữu cơ, K-40 và U-238 cho đá

Tự kiểm tra

Luyện tập với câu hỏi phong cách CBE

• Cân bằng phương trình phân rã hạt nhân (alpha, beta, gamma)
• Tính chu kỳ bán rã và bài toán định tuổi bằng phóng xạ