Polonium là gì?

Ít người biết đến chất phóng xạ polonium cho tới khi được tin cựu gián điệp Alexander Litvinenko bị ám hại. Bản thân chúng tôi sau khi tốt nghiệp kỹ sư cũng chỉ còn nhớ mang máng rằng polonium do Pierre và Marie Curie khám phá.

Nguồn gốc của polonium

Nguyên tử polonium do hai vợ chồng Pierre và Marie Curie khám phá năm 1898. Lúc đó Marie Curie chỉ là một nữ sinh cộng tác với chồng, một nhà khoa học đã nổi tiếng rồi. Chuyện polonium được xác định một cách ngẫu nhiên đáng được biểu trưng để làm gương cho các nghiên cứu sinh.

Năm 1896, một năm sau khi Pierre và Marie Curie kết hôn, William Röntgen khám phá ra tia X và Henri Becquerel nhận thấy uranium là phóng xạ tự nhiên. Đựơc tin này, Marie quyết định chọn phóng xạ làm đề tài nghiên cứu. Thời đó chưa có nguồn phóng xạ nhân tạo nên Pierre và Marie Curie phải chiết uranium từ quặng pitchblende. Sau khi chiết hết uranium từ quặng pitchblende thì hai vợ chồng nhận thấy rằng hãy còn một chất liệu nào đó phát xạ. Họ tiếp tục phân tích quặng pitchblende và phát hiện ra nguyên tử polonium có hoạt tính mạnh hơn 400 lần uranium. Để tưởng nhớ đến nước mẹ đẻ của Marie Curie, nước Ba-lan, nguyên tử mới này được đặt tên là polonium. Sau khi chiết hết polonium rồi, Pierre và Marie Curie lại khám phá thêm một nguyên tử khác đó là nguyên tử radium, có hoạt tính còn mạnh hơn nguyên tử polonium, mạnh tới 900 lần uranium.

Polonium là một nguyên tử rất hiếm.

Nói rằng Pierre và Marie Curie may mắn tình cờ khám phá ra polonium và radium là sai. Không có khám phá khoa học nào là hậu quả của sự ngẫu nhiên cả.

Để có những nguyên tử uranium mà nghiên cứu phóng xạ, nữ sinh Marie Curie đã phải chiết uranium từ quặng pitchblende. Đây là một việc rất vất vả. Bà đã xử lý đến cả tấn pitchbende để chiết ra được có vài cân uranium. Thấy Marie làm việc khổ sở quá, Pierre đã phải giúp tay cô vợ mới cưới. Một khi có số lượng uranium đủ để khởi đầu nghiên cứu về phóng xạ, Pierre và Marie có thể bỏ qua nhận xét hãy còn "cái gì đó" vẫn phát xạ trong quặng. Nhưng vì muốn tìm hiểu "cái gì đó" là gì mà hai vợ chồng đã khám phá ra polonium rồi radium. Nhờ công lao cần cù và ý chí tìm hiểu đó chứ không phải nhờ may rủi mà năm 1903 Marie Curie trở thành phụ nữ đầu tiên mang học vị tiến sĩ trong lịch sử ngành đại học Pháp và là người đầu tiên, trong cả nam lẫn nữ, nhận hai giải thưởng Nobel.

Polonium là một nguyên tử hiếm đến nỗi không thể phát hiện được với những máy đo nhạy nhất. Trong một tấn quặng pitchblende chỉ có chưa tới 100 micro-gram. Để có đủ polonium đáp ứng nhu cầu của kỹ nghệ hạt nhân, người ta phải sản xuất thêm polonium bằng hai cách.

• Phương pháp thứ nhất là bắn hạt neutron vào những nguyên tử bismuth. Nhờ có thêm một neutron, đồng vị bismuth Bi 209 trở thành đồng vị bismuth Bi 210. Đồng vị Bi 210 không ổn định và mau chóng phát ra một tia bêta để trở thành đồng vị polonium Po 210.
• Phương pháp thứ hai là dùng một máy tăng tốc để bắn hạt proton vào những nguyên tử bismuth. Nhờ có thêm một proton, đồng vị bismuth Bi 209 trở thành đồng vị polonium Po 210.

Những đặc tính và ứng dụng của polonium

Polonium tự nhiên sinh ra từ chuỗi phân rã uranium. Trong số những nguyên tử của bảng Mendelev, polonium là nguyên tử có nhiều đồng vị nhất : 25 đồng vị. Người ta xác định được những đồng vị đó từ Po 194 đến Po 218. Nhưng chỉ có tỷ trọng đồng vị polonium Po 210 là đáng kể ii. Tất cả các đồng vị polonium này đều phát xạ alpha nghĩa là tự nhiên bắn ra ngoài một ion helium.

Ở nhiệt độ thường thì polonium ở dưới dạng alpha, nghĩa là những nguyên tử sắp xếp theo tinh thể hình khối. Đây là trường hợp duy nhất một thể rắn có dạng tinh thể hình khối mà không lồng với nhau. Ở nhiệt độ trên 38° C thì tinh thể chuyển sang hình thoi.

Polonium Po 210 có nửa đời 138 ngày, nghĩa là hoạt tính giảm đi một nửa sau 138 ngày. Khi phân rã, polonium Po 210 biến thành đồng vị chì Pb 206, một đồng vị ổn định không phát xạ. Mỗi hạt alpha phát ra từ phản ứng phân rã đó có năng lượng bằng 5,407 MeV iii. Đây là một công suất rất cao làm cho hoạt tính của một gram polonium lên tới 140 watt. Công suất đó mạnh đến nỗi một cục polonium lúc nào cũng nóng và khí quản xung quanh bị khích thích gây nên một hào quang mầu xanh.

Nhờ có thể làm nóng những vật liệu xung quanh, polonium được dùng để làm nguồn nhiệt giữ ấm những linh kiện của phi thuyền vũ trụ và vệ tinh nhân tạo. Phóng xạ của polonium có thể làm nóng một kim loại có tính nhiệt điện và sinh ra điện. Áp dụng đặc tính đó, polonium đã được dùng làm pin phát điện cho những phi thuyền vũ trụ, những vệ tinh nhân tạo. Ngày xưa có máy điều hòa nhịp tim chạy bằng pin polonium.

Khi trộn polonium với beryllium thì hạt alpha do polonium phát ra làm vỡ hạt nhân beryllium và sinh ra neutron. Người ta dùng đặc tính này để làm nguồn neutron gây nên phản ứng phân hạch đầu tiên cho những lò hạt nhân. Người ta cũng dùng đặc tính này để châm ngòi bom nguyên tử.

Ngày xưa người ta định dùng tính tĩnh điện của polonium để pha với những chất phụ gia cho nhiều ứng dụng như là sơn, lông chổi,… Nhưng vì polonium rất độc hại nên những ứng dụng này đã bị cấm.

Độ rủi ro của polonium

Như mọi chất phóng xạ, polonium rất nguy hiểm cho sức khỏe con người. Vì hoạt tính phóng xạ cao nên rất độc hại nếu để polonium xâm nhập vào cơ thể. Nếu hấp thụ vào cơ thể polonium sẽ phát xạ alpha do đó gây nên bệnh bạch cầu hay những ung thư khác. Để so sánh, với cùng một trọng lượng, polonium độc hại hơn một triệu lần hydrogen cyanide, chất thường dùng để đầu độc người khác. Một lý do nữa polonium đặc biệt nguy hiểm là nửa đời sinh học của nó khá dài, khoảng 50 ngày iv.

Nhưng cũng phải nói rằng polonium chủ yếu chỉ phát những tia alpha, mà tia alpha bị ngăn chặn bởi vài centi-mét không khí. Vì thế, nếu không tiếp cận sát gần một nguồn polonium thì không bị nhiễm xạ. Nguy cơ vô tình hấp thụ chất phóng xạ polonium gần như là không có. Polonium không khuếch tán qua màng da. Vậy polonium chỉ có thể xâm nhập cơ thể qua hô hấp hay ăn uống. Nhưng, như viết ở trên, polonium ở ngoài thiên nhiên rất ít. Còn polonium nhân tạo thì kỹ nghệ hạt nhân chỉ sản xuất khoảng 100 gram mỗi năm, đủ để châm những lò phản ứng hạt nhân mới xây. Với số lượng đó xác xuất hấp thụ polonium nhân tạo tỏa ra ngoài trời thực không đáng kể.

Nguồn rủi ro tự nhiên của polonium là thuốc lá. Người ta dùng phân bón phosphat để bón cây. Quặng phosphat có vết uranium. Uranium phân rã thành radon. Khi bón cây bằng phân phosphat thì cây hấp thụ những nguyên tử radon. Radon phân rã thành polonium. Điều này không nguy hại gì vì, như nói ở trên, hàm lượng polonium tự nhiên không đáng kể và cơ thể sẽ mau chóng trục xuất chất này sau khi chúng ta ăn rau quả. Nhưng khi hút thuốc lá thì hơi nóng được hít vào trong người. Hơi nóng làm những nguyên tử radon và polonium tách ra khỏi lá thuốc, dẫn chúng vào cơ thể để cho chúng bám vào cổ họng và phổi. Sau đó, chúng sẽ không ra khỏi cơ thể nữa và liên tục phát xạ. Mặc dù lượng polonium hít vào người rất ít, nhưng hút thuốc trong một thời gian lâu thì cũng tích lũy một khối lượng đủ để mắc bệnh ung thư. Theo các bác sĩ Mỹ, đó là nguyên nhân của 90 phần trăm ung thư người nghiện thuốc lá.

Theo chúng tôi được biết, trong lịch sử ngành phóng xạ, có hai nhà bác học bị tai nạn hấp thụ polonium. Đó là tiến sĩ Irene Joliot Curie, con gái của Pierre và Marie Curie, vợ và cộng sự viên của Frederic Joliot Curie, và giáo sư Dror Sadeh, thuộc Weizmann Institute. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ trước, hình như có một bác sĩ Nhật đã cố ý uống một liều polonium để tự sát hay thử nghiệm trên chính mình hậu quả của phóng xạ. Vụ ám sát Alexander Litvinenko là vụ ám hại bằng chất phóng xạ đầu tiên được biết đến. Không hiểu vì sao sát-nhân chọn nghi-thức này.