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

Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ 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 kỉ 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. Cả 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 5 Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 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 thẳng. - 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 tỏ 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: me= 9,109.10-28g = 5,4858.10-4u. - Điện tích: e = -1,602.10-19c = e0 Điện tích q = -1,602.10-19 kí hiệu là e0 được dùng làm đơn vị điện tích. Điện tích của điện tử thường được kí hiệu là 11.1.1.3. 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 6 Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 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 nhà vật lý người anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (18871915) thấy rằng 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 gọi là proton. Người ta đã tìm ra được khối lượng và điện tích của proton. - Khối lượng: mp=1,00724u = 1,6725.10-24g - Điện tích: qp=1,602.10-19c (+e0 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  và làm phát ra một chùm hạt mới có khả năng thấm sâu vào vật chất nhiều hơn hạt . 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: mn = 1,0086u = 1,6748.10-24g - Điện tích: qn=0 Và mô hình nguyên tử của Rutherford lúc đó là: proton và nơtron tạo nên hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh và chiếm phần lớn thể tích 7 Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 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 biểu rằng: một hạ hạt lượng tử như electron không thể nào xác định được vị trí và động lượng cùng một lúc. Để 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 x, 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 vậy nó bị bật lại tới quĩ đạo thấp nhất, tương ứng n = 1. 1.1.1.6. Bản 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 8 Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 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 cổ 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 chuyển 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 ổn 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 tinh nguyên tử của Bohr 9 Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Khi chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, điện tử có thể hấp 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 thể tính được năng lượng của điện tử trong nguyên tử hyđrogen từ phổ 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 thể được tìm thấy 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: 10 Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học