Nguyên tố phóng xạ tự nhiên

Định nghĩa

Một nguyên tố được gọi là nguyên tố phóng xạ nếu tất cả các đồng vị của nó đều là đồng vị phóng xạ, không có đồng vị nào là bền. Những nguyên tố phóng xạ có trong tự nhiên với nồng độ đáng kể gọi là nguyên tố phóng xạ tự nhiên (NTPXTN).

NTPXTN được tìm thấy đầu tiên được liệt kê trong bảng 1.

Bảng 1. Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên

Điện tích hạt nhân Z	Tên và ký hiệu hoá học	Đồng vị sống dài nhất	Người và năm phát minh	Đặc điểm quan trọng
84	Poloni (Po)	209Po (102 năm)	1898 P.& M. Curie	Về mặt hoá học giống tellur
85	Astati (At)	210At (8,1 h)	1940 Corson, McKenzie & Segrè	Thuộc nhóm halogen, ở dạng đơn chất dễ bay hơi
86	Radon (Rn)	222Rn (3,62 ngày)	1900 Rutherford, Soddy	Khí trơ
87	Franxi (Fr)	223Fr (22 min)	1939 Perey	Kim loại kiềm thổ, về hoá học rất giống Xêsi
88	Rađi (Ra)	226Ra (1600 năm)	1898 P.& M. Curie	Kim loại kiềm thổ, về hoá học rất giống bari
89	Actini (Ac)	227Ac (21,6 năm)	1899 Debierne	Về mặt hoá học giống lantanit, tính bazơ mạnh hơn
90	Thori (Th)	232Th (1,41.1010 năm)	1828 Berzelius	Thường chỉ thể hiện hoá trị (IV), Tạo ra nhiều phức chất, Th4+ thuỷ phân mạnh, về mặt hoá học giống Ce4+, Zr4+, Hf4+.
91	Protactini (Pa)	231Pa (3,28.104 năm)	1917 Hahn & Meitner	Chủ yếu có số oxi hoá (V), ion Pa5+ bị thuỷ phân mạnh trong dung dịch, tạo phức mạnh, hình thành keo phóng xạ.
92	Urani (U)	238U (4,47.109 năm)	1789 Klaproth	Thể hiện các số oxi hoá từ (III) đến (VI) (-u tiên hoá trị (VI), tạo thành các ion U4+, UO2+ và UO22+ trong dung dịch.)

Các nguyên tố urani và thori đã được các nhà hóa học biết từ lâu trước khi phát hiện ra hiện tượng phóng xạ. Chúng có mặt trong nhiều loại quặng, đất đá, nước sông biển, không khí và trong cơ thể động thực vật. Một số đồng vị của urani và thori có thời gian bán hủy dài đến mức là chúng đã có mặt trong vỏ trái đất từ khi quả đất hình thành cho đến tận bây giờ.

Các đồng vị của thori và urani là các đồng vị mẹ của 3 họ phóng xạ: họ thori, họ urani-radi và họ actini.

• Họ phóng xạ thori bao gồm các đồng vị con cháu: Th-232; Ra 228 (MsTh₁); Ac 238 (MsTh₂); Th228 (RdTh); Ra-224 (ThX); Rn-220 (Tn); Po-216 (ThA); Pb-212(ThB); Bi-212(ThC); Po-212

(ThC’); Tl-208 (ThC’’); Pb-208 (ThD)

• Họ phóng xạ urani-radi bao gồm: U-238 (UI); Th-234 (UX₁); Pa-234 (UX₂); Pa-234 (UZ); U234(UII); Th-230(I₀); Ra-226; Rn (222); Po-218 (RaA); Pb-214(RaB); At-218 Bi-214(RaC);Po214(RaC’);Th-210(RaC’’);Pb-210(RaD);Hg-206;Bi-210 (RaE);Tl-206 (RaE’); Po-210(Ra F); Pb206 (RaG)

• Họ phóng xạ actini bao gồm: U-235 (AcU); Th-232 (UY); Pa-231; Ac-235; Th-227(RdAc);Fr223 (AcK); Ra-223 (AcX); At-219; Rn-219(An); Bi-215; Po-215 (Ac);Pb-211 (AcB); At-215; Bi211 (AcC); Po-211m; Po211(Ac’); Tl-207 (AcC’’); Pb-224 (AcD)

Một phần nhỏ các chất phóng xạ trong tự nhiên nằm trong khí quyển là các nguyên tố nhẹ, như ¹⁴C, ¹⁰Be, ⁷Be và ³H. Bảng 2 thống kê các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có thời gian bán huỷ > 1 ngày.

Bảng 2. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên có thời gian bán hủy > 1 ngày

Ký hiệu	Thời gian bán huỷ	Dạng bức xạ	Hàm lượng đồng vị trong tự nhiên (%)	Chú thích
238U (UI=Urani)	4,47.109(năm)	α, γ, e-(sf)	99,276
234U (UII)	2,44.105(năm)	α, γ, e-(sf)	0,0055
234Th (UX1)	24,1 (ngày)	β-, γ, e-
230Th (Ioni)	7,7.104(năm)	α, γ (sf)
236Ra (Radi)	1600 (năm)	α, γ		Họ urani
222Rn (Radon)	3,82 (ngày)	α, γ
210Po (RaF)	138,4 (ngày)	α, γ
210Bi (RaE)	5,0 (ngày)	β-, γ(α)
210Pb (RaD)	22,3 (năm)	β-, γ, e-(α)
235U (AcU=Actinourani)	7,04.104(năm)	α, γ (sf)	0,720
231Th (UY)	25,5 (giờ)	β-, γ
231Pa (Protactini)	3,28.104(năm)	α, γ		Họ actini
227Th (RdAc=Radioactini)	18,72 (ngày)	α, γ, e-
227Ac (Actini)	21,6 (năm)	β-, γ, e-(α)
223Ra (AcX=Actini X)	11,43 (ngày)	α, γ
232Th (Thori)	1,405.1010 (năm)	α, γ, e-(sf)	100
228Th (RdTh=Radiothori)	1,91.109(năm)	α, γ, e-
228Ra (MsTh1=Mesothori 1)	5,75 (năm)	β-, γ, e-		Họ thori
224Ra (ThX=Thori X)	3,66 (ngày)	α, γ
204Pb	1,4.1017 (năm)	α	1,4
190Pt	6,1.1011 (năm)	α	0,0127
186Os	2,0.1015 (năm)	α	1,6
187Re	5.1010 (năm)	β-	62,60
174Hf	2,0.1015 (năm)	α	0,18
176Lu	3,6.109(năm)	β-, γ, e-	2,60
152Gd	1,1.1014 (năm)	α	0,20
147Sm	1,05.1011 (năm)	α	15,0
148Sm	7.1015 (năm)	α	11,2
144Nd	2,1.1015 (năm)	α	23,9
138La	1,35.1011 (năm)	ε, β-, γ	0,09
123Te	1,24.1013 (năm)	ε	0,87
115In	5,1.1015 (năm)	β-	95,7
113Cd	9.1015 (năm)	β-	12,3
87Rb	4,7.1010 (năm)	β-	27,83
40K	1,28.109(năm)	β-, ε, β+, γ	0,012
14C	5730 (năm)	β-
10Be	1,6.106 (năm)	β-		Xuất hiện trong khí quyển do các tia vũ trụ
7Be	53,4 (ngày)	ε, γ
3H	12,346 (năm)	β-

Nguồn gốc và phân bố NTPXTN

Dễ dàng thấy rằng phần lớn các nguyên tố phóng xạ tự nhiên là các nguyên tố nặng, phân bố rộng rãi trong thạch quyển, quan trọng nhất là quặng urani, quặng thori, bao gồm cả các sản phẩm phân rã của urani và thori, các mỏ muối kali. (Bảng 3.)

Bảng 3. Các khoáng vật của urani và thori

Khoáng vật	Thành phần hoá học	Hàm lượng Urani (%)	Hàm lượng Thori (%)	Mỏ
Pitchblende	U3O3	60 - 90		Bohemia, Congo, Colorado (Mỹ)
Becquerelit	2UO3.3H2O	74		Bayern (Đức), Congo
Uraninit	UO2.UO3	65 - 75	0,5 - 10	Nhật, Mỹ, Canađa
Broeggerit		48 - 75	6 - 12	Na-uy
Cleveit		48 - 66	3,5 - 4,5	Na-uy, Nhật, Texas (Mỹ)
Autunit	Ca(UO2)2(PO4)2.nH2O	50-60		Pháp, Mađagasca, Bồ-đào-nha, Mỹ
Cacnotit	K(UO2)2(VO4)nH2O	≈45		Mỹ, Congo, Nga, Úc
Casolit	PbO.UO3.SiO2.H2O	≈40		Congo
Liebigit	Carbonat của U và Ca	≈30		Nga, Australia
Thorianit	(Th,U)O2	4 - 28	60 - 90	Xaylan, Mađagasca
Thorit	ThSiO4.H2O	1 - 19	40 - 70	Na-uy, Mỹ.
Monazit	Photphat của Th và đất hiếm		0,1 - 15	Brazin, Ấn Độ, Nga, Na-uy, Mađagasca

Người ta cho rằng năng lượng kèm theo sự phân rã của các chất phóng xạ tự nhiên đóng góp một phần vào nhiệt độ của vỏ trái đất. Nhiệt độ tương đối caom vào khoảng 30°C ở độ sâu từ 1 đến một vài km tính từ bề mặt trái đất, được giải thích bởi năng lương phân rã của các chất phóng xạ tự nhiên, chẳng hạn trong đá granit.

Do những rạn vỡ của vỏ trái đất và quá trình phong hoá, các nguyên tố phóng xạ di chuyển đi nơi khác và các cân bằng phóng xạ bị vi phạm. Các nguyên tố phóng xạ tách khỏi đất đá chứa các nguyên tố mẹ - urani và thori. Các nguyên tố phóng xạ ngắn ngày nhanh chóng biến mất, chỉ còn lại các nguyên tố phóng xạ dài ngày như ²³⁰Th, ²³¹Pa và ²²⁶Ra. Nhưng các nguyên tố dài ngày này tạo thành những thể sa lắng thứ cấp, chẳng hạt các lớp sét màu xám và các bùn lắng trong hồ nước chứa Ra.

Ra có mặt trong đất, nước sông và nước biển. Do sự hiện diện rộng rãi của Ra trong tự nhiên, các hồ nước và khí quyển đều chứa các sản phẩm phân rã của nguyên tố này như: radon, thoron và actinon. Các sản phẩm khác của sự xạ khí , như các đồng vị của thali, chì, bismur, polonium và astatin, tồn tại ở trạng thái bụi trong không khí hoặc hoà tan trong nước.

Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên chuyển từ đất vào thực vật và sau đó vào cơ thể động vật. Hàm lượng urani trong cây cối khoảng từ 10^-5 đến 10^-8%, của radi khoảng 10^-12%. Hàm lương radi trong cơ thể động vật chừng 10-12%.

Ngoài urani, thori và các sản phẩm phân rã của chúng, trong tự nhiên cũng tồn tại các nguyên tố phóng xạ khác như các đồng vị phóng xạ của kali, canxi, rubidi...(xem bảng 2.). Hàm lượng của các nguyên tố này trong vỏ trái đất vào khoảng 0,1%. Cũng vì vậy trong cây cối và cơ thể động vật, ngoài urani, thori, radi và các sản phẩm phân rã của chúng, còn có các nguyên tố phóng xạ khác, chẳng hạn một lượng đáng kể đồng vị ⁴⁰K.

Ngoài các quá trình phân rã phóng xạ tạo ra đồng vị thuộc các họ urani, actino-urani và thori, trong tự nhiên còn diễn ra nhiều quá trình hạt nhân dẫn đến sự hình thành các đồng vị phóng xạ. Hành tinh của chúng ta, các thiên thể khác cùng với không gian vũ trụ có thể xem là một phòng thí nghiệm đặc biệt, ở đó luôn diễn ra vô số các phản ứng hạt nhân với sự tạo thành nhiều đồng vị phóng xạ.

Các tia vũ trụ tác động lên không khí (hỗn hợp nitơ và oxi) có thể kích hoạt hạt nhân nguyên tử của chúng mà kết quả là xuất hiện các nơtron nhanh. Neutron bắn phá các hạt nhân nitơ tạo thành đồng vị ¹⁴C do phản ứng ¹⁴₇N(n,p)¹⁴₆C. Quá trình ấy tạo ra một lượng lớn ¹⁴C trong khí quyển nằm dưới dạng phân tử carbon dioxide (CO₂) có thời gian bán huỷ là 5760 năm. Trong nhiều thế kỷ, cường độ của các tia vũ trụ hiển nhiên không hề thay đổi. Cacbon dioxide liên tục được tạo thành với tốc độ không đổi trong khí quyển. Sự phân rã ¹⁴C trong CO₂ cũng diễn ra với tốc độ không đổi. Kết quả là CO² trong khí quyển chứa một tỷ lệ bất biến CO₂ phóng xạ. CO₂ này được cây cối hấp thụ khi quang hợp làm cho hàm lượng cacbon phóng xạ trong động thực cũng không đổi.

Tài liệu tham khảo

• Đỗ Quý Sơn, Huỳnh Văn Trung, Cơ sở Hóa học phóng xạ, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008

• K.H. Lieser, Nuclear and Radiochemistry Fundamentals and applications, WILEY-VCH, Weihem, 2001