Nguyên tử là "khối xây dựng của vật chất." Bất cứ thứ gì có khối lượng và chiếm không gian (bằng cách có thể tích) đều được tạo thành từ những đơn vị nhỏ bé tí hon này. Điều đó áp dụng cho không khí bạn thở, nước bạn uống và chính cơ thể bạn.
Đồng vị là một khái niệm quan trọng trong nghiên cứu nguyên tử. Các nhà hóa học, vật lý học và địa chất học sử dụng chúng để hiểu về thế giới của chúng ta. Nhưng trước khi chúng ta có thể giải thích các đồng vị là gì - hoặc tại sao chúng lại quan trọng như vậy - chúng ta cần lùi lại một bước và xem xét tổng thể các nguyên tử.
Thế giới nguyên tử của chúng ta
Như bạn có thể biết, nguyên tử có ba thành phần chính - hai trong số đó nằm trong hạt nhân. Nằm ở trung tâm của nguyên tử, hạt nhân là một cụm hạt được đóng gói chặt chẽ. Một số hạt đó là proton, có điện tích dương.
Có tài liệu chứng minh rằng các điện tích trái dấu sẽ thu hút. Trong khi đó, các vật thể tích điện tương tự có xu hướng đẩy nhau. Vì vậy, đây là một câu hỏi: Làm thế nào hai hoặc nhiều proton - với các điện tích dương của chúng - có thể cùng tồn tại trong cùng một hạt nhân? Họ không nên đẩy nhau ra xa sao?
Đó là nơi các neutron đi vào. Neutron là các hạt hạ nguyên tử có chung hạt nhân với proton. Nhưng neutron không có điện tích. Đúng như tên gọi của chúng, neutron là trung hòa, không mang điện tích dương cũng không mang điện tích âm. Đó là một thuộc tính quan trọng. Nhờ tính trung lập của chúng, neutron có thể ngăn các proton đẩy nhau ra khỏi hạt nhân.
"Đơn giản thôi, Watson yêu dấu của tôi à"
Quay quanh hạt nhân là các electron, hạt siêu nhẹ mang điện tích âm. Các electron tạo điều kiện cho liên kết hóa học - và chuyển động của chúng có thể tạo ra một thứ nhỏ gọi là điện . Proton không kém phần quan trọng. Thứ nhất, chúng giúp các nhà khoa học phân biệt các nguyên tố.
Bạn có thể nhận thấy rằng trong hầu hết các phiên bản của bảng tuần hoàn , mỗi ô vuông có một số nhỏ được in ở góc trên bên phải của nó. Con số đó được gọi là số nguyên tử. Nó cho người đọc biết có bao nhiêu proton trong hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố nhất định. Ví dụ, số nguyên tử của oxy là tám. Mỗi nguyên tử oxy trong vũ trụ đều có một hạt nhân với đúng tám proton; không nhiều không ít.
Nếu không có sự sắp xếp cụ thể của các hạt, oxy sẽ không phải là oxy. Số nguyên tử của mỗi nguyên tố - bao gồm cả oxy - là hoàn toàn duy nhất. Và đó là một đặc điểm xác định. Không có nguyên tố nào khác có tám proton trên mỗi hạt nhân. Bằng cách đếm các proton, bạn có thể xác định một nguyên tử. Giống như nguyên tử oxy sẽ luôn có tám proton, nguyên tử nitơ luôn có bảy. Nó đơn giản mà.
Các nơtron không tuân theo. Hạt nhân trong nguyên tử oxy được đảm bảo chứa tám proton (như chúng tôi đã thiết lập). Tuy nhiên, nó cũng có thể chứa từ 4 đến 20 nơtron . Đồng vị là những biến thể của cùng một nguyên tố hóa học có số nơtron khác nhau.
Bây giờ, mỗi đồng vị được đặt tên dựa trên số khối của nó, là tổng số nơtron và proton kết hợp trong một nguyên tử. Ví dụ, một trong những đồng vị oxy được biết đến nhiều hơn được gọi là oxy-18 (O-18). Nó có tám proton tiêu chuẩn cộng với 10 neutron.
Ergo, số khối của O-18 là - bạn đoán nó - 18. Một đồng vị liên quan, oxy-17 (O-17), có ít neutron hơn trong hạt nhân.
Cảm thấy không ổn định
Một số kết hợp mạnh hơn những tổ hợp khác. Các nhà khoa học phân loại O-17 và O-18 là các đồng vị ổn định. Trong một đồng vị ổn định, các lực do proton và neutron tác dụng giữ lẫn nhau , vĩnh viễn giữ cho hạt nhân nguyên vẹn.
Mặt khác, các hạt nhân trong đồng vị phóng xạ, còn được gọi là " đồng vị phóng xạ ", không ổn định và sẽ phân rã theo thời gian. Những thứ này có tỷ lệ proton trên neutron về cơ bản là không bền vững về lâu dài. Không ai muốn ở trong tình trạng khó khăn đó. Do đó, các đồng vị phóng xạ sẽ tách ra các hạt hạ nguyên tử nhất định (và giải phóng năng lượng) cho đến khi chúng tự chuyển đổi thành các đồng vị tốt, ổn định.
O-18 ổn định, nhưng oxy-19 (O-19) thì không. Sau này chắc chắn sẽ bị hỏng - nhanh chóng! Trong vòng 26,88 giây sau khi được tạo ra, một mẫu O-19 được đảm bảo sẽ mất một nửa số nguyên tử của nó trước sự tàn phá của quá trình phân rã.
Điều đó có nghĩa là O-19 có chu kỳ bán rã 26,88 giây. Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian cần 50% mẫu đồng vị để phân rã. Hãy nhớ khái niệm này; chúng ta sẽ kết nối nó với cổ sinh vật học trong phần tiếp theo.
Nhưng trước khi chúng ta nói về khoa học hóa thạch, có một điểm quan trọng cần được thực hiện. Không giống như oxy, một số nguyên tố không có bất kỳ đồng vị ổn định nào. Hãy xem xét uranium. Trong thế giới tự nhiên có ba đồng vị của kim loại nặng này, và chúng đều là chất phóng xạ , với các hạt nhân nguyên tử ở trạng thái phân rã liên tục. Cuối cùng, một phần uranium sẽ biến thành một nguyên tố hoàn toàn khác.
Đừng bận tâm đến việc cố gắng xem quá trình chuyển đổi trong thời gian thực. Quá trình này diễn ra rất, rất chậm.
Bắt ngày (Và Giữ gìn sức khỏe)
Uranium-238 (U-238), đồng vị phổ biến nhất của nguyên tố, có chu kỳ bán rã khoảng 4,5 tỷ năm ! Dần dần, nó sẽ trở thành chì-206 (Pb-206), là chất ổn định. Tương tự như vậy, uranium-235 (U-235) - với chu kỳ bán rã 704 triệu năm - chuyển thành chì-207 (Pb-207), một đồng vị ổn định khác.
Đối với các nhà địa chất, đây thực sự là một thông tin hữu ích. Giả sử ai đó tìm thấy một phiến đá có tinh thể zircon chứa hỗn hợp U-235 và Pb-207. Tỷ lệ của hai nguyên tử này có thể giúp các nhà khoa học xác định tuổi của đá.
Đây là cách thực hiện: Giả sử các nguyên tử chì nhiều hơn rất nhiều so với các nguyên tử uranium của chúng. Trong trường hợp đó, bạn biết rằng bạn đang nhìn vào một tảng đá khá cũ. Rốt cuộc, uranium có nhiều thời gian để bắt đầu tự chuyển hóa thành chì. Mặt khác, nếu điều ngược lại là đúng - và các nguyên tử uranium phổ biến hơn - thì đá phải ở phía trẻ hơn.
Kỹ thuật mà chúng tôi vừa mô tả được gọi là xác định niên đại bằng tia phóng xạ . Đó là hành động sử dụng tốc độ phân rã được ghi chép rõ ràng của các đồng vị không ổn định để ước tính tuổi của các mẫu đá và thành tạo địa chất. Các nhà cổ sinh vật học khai thác chiến lược này để xác định thời gian đã trôi qua kể từ khi một hóa thạch cụ thể được lắng đọng. (Mặc dù không phải lúc nào cũng có thể xác định niên đại trực tiếp cho mẫu vật .)
Bạn không cần phải là một kỹ sư tiền sử để đánh giá cao các đồng vị. Các nhà y học sử dụng một số giống phóng xạ để theo dõi lưu lượng máu, nghiên cứu sự phát triển của xương và thậm chí chống lại bệnh ung thư. Đồng vị phóng xạ cũng đã được sử dụng để cung cấp cho người nông dân những hiểu biết sâu sắc về chất lượng đất .
Vì vậy, bạn có nó. Một cái gì đó tưởng chừng như trừu tượng như sự biến đổi của neutron ảnh hưởng đến mọi thứ, từ điều trị ung thư đến những bí ẩn của thời gian sâu thẳm. Khoa học thật tuyệt vời.
BÂY GIỜ THẬT VUI VẺ
Thể thao và khoa học giao nhau thường xuyên hơn bạn nghĩ. Thành phố lớn nhất của New Mexico đã có một đội bóng chày hạng nhỏ mới vào năm 2003. Tên của nó? Đồng vị Albuquerque. Tham chiếu đến tập 12 của "The Simpsons", cái tên bất thường của đội đã có một tác dụng phụ dễ chịu: Bởi cần thiết, các nhân viên sân bóng thường xuyên dạy các bài học về hóa học cho những người hâm mộ tò mò.
