Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*********
TRƯƠNG THỊ THỦY
TÌM HIỂU MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA
HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TRONG
HÓA HỌC VÀ SINH HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vô cơ
Người hướng dẫn khoa học
Th.S NGUYỄN VĂN QUANG
HÀ NỘI - 2011
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
i
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Sinh viên
Trương Thị Thuỷ
iii
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
Trang
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt.............................................................. 1
Danh mục các bảng ............................................................................................. 2
Danh mục các hình.............................................................................................. 2
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 3
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................. 3
2. Mục đích nghiên cứu....................................................................................... 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 4
CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ...5
1.1 Sơ lược về cấu tạo nguyên tử........................................................................ 5
1.1.1. Mô hình về nguyên tử ............................................................................... 5
1.1.1.1. Mô hình sơ khai về nguyên tử................................................................ 5
1.1.1.2. Việc tìm ra điện tử.................................................................................. 5
1.1.1.3. Mô hình đầu tiên về nguyên tử .............................................................. 6
1.3.1. Sự tìm ra hiện tượng phóng xạ................................................................ 15
1.3.2. Tính chất của các nguyên tố phóng xạ.................................................... 16
1.3.3. Các chất phóng xạ trong tự nhiên, đơn vị đo hoạt tính phóng xạ ........... 20
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ
TRONG HÓA HỌC VÀ SINH HỌC .............................................................. 23
2.1. Ứng dụng trong lĩnh vực hoá học .............................................................. 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.......................................................... 26
2.1.3. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong việc nghiên cứu chất xúc tác ........... 27
v
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
2.1.4. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong xử lý nước thải................................. 28
2.1.5. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong xác định tuổi cổ vật ......................... 29
2.1.6. Ứng dụng trong cải tiến chất tổng hợp ................................................... 31
2.2. Ứng dụng trong lĩnh vực sinh học ............................................................. 34
2.2.1. Đối với thực vật....................................................................................... 35
2.2.1.1. Ứng dụng kĩ thuật phóng xạ trong khử trùng, bảo quản và biến tính vật
liệu ....................................................................................................................... 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.............................................................. 38
2.2.2.1. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán bệnh và xạ trị............... 39
2.2.2.2. Dược chất phóng xạ trong điều trị ung bướu....................................... 45
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 52
KH-CN : Khoa học-công nghệ
P
: Photpho
PET
: Positron Emision Tomography Scanner
PGNAA : Pronpt Gamma Neutron Activation Analysis
RNAA : Royal Norfolk Agricultural Association
SPECT : Single Photon Emission Compluted Jomography (Thiết bị xạ trị ung
thư)
TW2
: Trung ương 2
U
: Uranium
UV
: Ultralviolet: Tia cực tím
XRFA : X-Ray Fluoreseence Analysis
α
: Anpha
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình
1.1
Chức năng
Mô hình mẫu hành tinh nguyên tử của Bo
Trang
9
Dòng tia anpha có thể dễ dàng chặn lại bởi một tờ giấy, tia beta
1.2
cần miếng kim loại để chặn; còn tia gamma cần một khối vật
20
chất có mật độ dày đặc chặn lại
2.1
Máy PET
45
2.2
Chẩn đoán bằng phương pháp soi hình (chụp X quang)
47
Từ việc nghiên cứu một số 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 tiến 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
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
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.
4
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
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
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
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:
angstron (A0).
1nm = 10-9m;
1A0 = 10-10m.
11
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
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 10-5nm.
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 10-8nm)
electron chuyển 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).
1u = 1/12 khối lượng của một nguyên tử đồng vị cacbon 12.
Nguyên tử này có khối lượng là 19,9265.10-27kg.
1u = 19,9625.10-27/12 = 1,6605.10-27kg
Khối lượng một nguyên tử H là 1,6738.10-27kg 1,008u 1u.
Khối lượng của một nguyên tử C là 19,9625.10-27kg = 1u
1.1.3. Lớp và phân lớp 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 = 2.12 electron;
- Lớp thứ hai có 2 phân lớp chứa tối đa 8 = 2.22 electron;
- Lớp thứ ba có 3 phân lớp chứa tối đa 18 = 2.32 electron;
Vậy: Số electron tối đa của lớp thứ n là 2.n2
Lớp electron đã có đủ số electron tối đa gọi là lớp electron bão hòa.
13
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
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 nguyên 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 thấy) 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 obitan…
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
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.
Elk = [Zmp + (A-Z)mn – m( ZAX )]c2
Hay: Elk = mc2
Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối
của hạt nhân với thừa số c2.
1.2.2.3. Năng lượng liên kết riêng
Năng lượng liên kết riêng, kí hiệu Elk/A, là thương số giữa năng lượng liên
kết Elk 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
15
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
Năng lượng liên kết của proton cuối cùng EB (proton) được tính 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:
EB (proton) = ( ZA11M + MH - ZA M )c2
Năng lượng liên kết của nơtron cuối cùng EB (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:
EB (nơtron) = ( AZ1M + MN - ZA M )c2
1.3. Hiện tượng phóng xạ
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 chuyển 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 chuyển 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 tấm phim
ảnh.
17
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
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 α, tia β và tia γ. Ông thấy các chất
phóng xạ đều phát ra những tia đó.
- Tia : gồm các hạt có điện tích gấp đôi điện tích proton, đó là dòng
những nguyên tử Heli tích điện dương. Như vậy hạt anpha là hạt nhân của
nguyên tử Heli (nguyên tử Heli mất đôi điện tử hành tinh), hạt đó gồm hai proton
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 : gồm các electron tự do, tương tự tia âm cực nhưng được phóng xạ
với vận tốc lớn hơn nhiều, khoảng 100.000km/s.
- Tia : 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 trong phân rã ).
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 quyển trái đất. Các lò phản ứng hạt nhân
có thể tạo ra dòng hạt nơtron mạnh. Các máy gia tốc có thể 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 có thể dễ dàng chặn lại bởi một tờ giấy. Tia cần miếng kim
loại để chặn. Trong khi đó dòng tia có khả năng xuyên qua vật chất cao, cần
một khối vật chất có mật độ dòng đặc chặn lại.
19
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học
Copyright: Tài liệu đại học ©