Radium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Radium

Radium là một nguyên tố kim loại thuộc nhóm kiềm thổ, nằm ở vị trí thứ 88 trong bảng tuần hoàn, với ký hiệu hóa học là Ra. Đây là nguyên tố nặng, có tính phóng xạ mạnh, thuộc chuỗi phân rã của uranium và thorium. Radium được phát hiện vào cuối thế kỷ 19, trong bối cảnh các nhà khoa học đang tìm hiểu các hiện tượng phát xạ mới lạ chưa từng được biết đến.

Năm 1898, hai nhà khoa học nổi tiếng người Pháp là Marie Curie và Pierre Curie đã phân lập radium từ quặng uraninite (hay còn gọi là pitchblende). Khám phá này không chỉ khẳng định sự tồn tại của một nguyên tố mới, mà còn mở đường cho lĩnh vực nghiên cứu về phóng xạ học. Radium trở thành một trong những nguyên tố đầu tiên được nhận diện rõ ràng về khả năng phát ra tia không nhìn thấy bằng mắt thường – cụ thể là tia alpha và gamma.

Trong tự nhiên, radium không tồn tại ở dạng tinh khiết mà là sản phẩm phân rã trung gian của uranium-238 và thorium-232. Nó thường xuất hiện với lượng rất nhỏ trong khoáng vật urani và được khai thác từ các mỏ quặng giàu uranium như carnotite và pitchblende. Do khan hiếm và phức tạp trong tách chiết, radium từng có giá trị rất cao, thậm chí đắt hơn vàng trong thời kỳ đầu thế kỷ 20.

Tính chất vật lý và hóa học

Radium là một kim loại mềm, có ánh kim trắng bạc khi mới cắt ra, nhưng rất nhanh chóng bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp oxit màu đen. Khối lượng nguyên tử trung bình của radium là 226 u (đơn vị khối lượng nguyên tử), đây cũng là lý do tại sao đồng vị phổ biến nhất của nó được ký hiệu là $^{226}\text{Ra}$.

Radium có điểm nóng chảy khoảng 700°C và điểm sôi gần 1.140°C. Mật độ của nó là khoảng 5 g/cm³. So với các nguyên tố cùng nhóm như barium hoặc strontium, radium nặng hơn và có khả năng phát bức xạ ion hóa mạnh hơn. Radium dễ phản ứng với nước và axit để tạo thành hydroxide hoặc muối radium. Phản ứng giữa radium và nước có thể biểu diễn như sau:

$Ra + 2H_2O \rightarrow Ra(OH)_2 + H_2 \uparrow$

Một số tính chất đặc trưng của radium được trình bày trong bảng sau:

Đồng vị và ứng dụng y học

Radium có hơn 30 đồng vị đã được biết đến, nhưng phần lớn đều có chu kỳ bán rã ngắn và không ổn định. Đồng vị quan trọng và phổ biến nhất là $^{226}\text{Ra}$, tồn tại tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu phóng xạ. Tuy nhiên, trong y học hiện đại, một đồng vị khác của radium – $^{223}\text{Ra}$ – mới là đối tượng được ứng dụng trực tiếp.

$^{223}\text{Ra}$ được sử dụng trong điều trị ung thư, cụ thể là ung thư tuyến tiền liệt di căn vào xương. Đồng vị này phát ra bức xạ alpha – loại bức xạ có khả năng tiêu diệt tế bào ung thư một cách chọn lọc trong mô xương mà ít làm tổn thương các mô lành xung quanh. Phác đồ điều trị thường kéo dài trong vài tuần, với các liều được tiêm nội tĩnh mạch theo hướng dẫn của bác sĩ chuyên khoa.

Ưu điểm của $^{223}\text{Ra}$ trong y học bao gồm:

• Hiệu quả chọn lọc cao tại vị trí xương có tế bào ung thư
• Giảm nguy cơ tác dụng phụ toàn thân
• Tiện lợi khi sử dụng và quản lý liều lượng

Radium-223 đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt sử dụng thương mại dưới tên thuốc Xofigo®. Thông tin chi tiết có thể xem tại Hướng dẫn lưu trữ và sử dụng Xofigo.

Ứng dụng công nghiệp

Trong giai đoạn đầu thế kỷ 20, radium được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất các vật liệu phát quang. Hợp chất radium được trộn với phosphor để tạo thành loại sơn tự phát sáng, được sử dụng cho đồng hồ đeo tay, bảng điều khiển máy bay, công-tơ điện và các thiết bị đo lường. Ưu điểm của sơn radium là khả năng phát sáng lâu dài mà không cần nạp sáng từ nguồn ngoài.

Một số ứng dụng công nghiệp tiêu biểu của radium trong lịch sử bao gồm:

• Mặt số đồng hồ phát quang cho quân đội
• Thiết bị đo độ cao và vận tốc trên máy bay
• La bàn, bản đồ quân sự ban đêm

Tuy nhiên, do phát hiện các tác hại nghiêm trọng từ phơi nhiễm radium, các sản phẩm chứa radium dần bị thay thế bằng vật liệu an toàn hơn như tritium hoặc các loại photoluminescent không phóng xạ. Đến thập niên 1970, hầu hết các ứng dụng dân dụng của radium đã bị loại bỏ khỏi thị trường. Thông tin chi tiết có thể tham khảo từ World Nuclear Association.

Ảnh hưởng đến sức khỏe

Radium là một trong những nguyên tố phóng xạ có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người nếu tiếp xúc lâu dài hoặc ở nồng độ cao. Khi đi vào cơ thể qua đường hô hấp hoặc tiêu hóa, radium có xu hướng tích tụ tại các mô xương do tính chất tương tự canxi. Tại đây, nó phát ra bức xạ alpha liên tục, gây tổn thương tế bào tủy xương và tăng nguy cơ đột biến DNA.

Những ảnh hưởng sức khỏe phổ biến do phơi nhiễm radium bao gồm:

• Ung thư xương, tủy xương
• Thiếu máu và các rối loạn máu
• Hoại tử mô mềm (trong các trường hợp tiếp xúc trực tiếp liều cao)
• Ảnh hưởng đến hệ miễn dịch và chức năng nội tiết

Một ví dụ nổi tiếng là trường hợp “Radium Girls” – nhóm công nhân nữ tại Hoa Kỳ vào đầu thế kỷ 20, được thuê để vẽ mặt số đồng hồ bằng sơn radium. Họ thường liếm đầu bút vẽ để có nét mảnh, vô tình nuốt phải lượng lớn radium. Hậu quả là nhiều người mắc các bệnh nghiêm trọng như ung thư hàm, hoại tử xương, và tử vong trước tuổi 30. Vụ việc này dẫn đến các cải cách quan trọng trong quy định an toàn phóng xạ tại Hoa Kỳ và toàn cầu.

Ảnh hưởng môi trường

Radium có thể xâm nhập vào môi trường tự nhiên từ nhiều nguồn khác nhau, chủ yếu qua các hoạt động khai thác mỏ uranium, luyện kim, và xử lý chất thải phóng xạ. Trong quá trình khai khoáng, radium tách ra khỏi khoáng vật mẹ và theo nước ngầm phát tán vào đất hoặc hệ sinh thái thủy sinh.

Một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng là sự tích tụ radium trong nước uống. Radium có thể hiện diện trong nước giếng khoan, đặc biệt ở các khu vực có nền đá granit, sa thạch hoặc đá chứa uranium. Khi con người sử dụng nước chứa radium trong thời gian dài, nguy cơ phơi nhiễm phóng xạ tăng cao.

Radium còn là nguồn phát sinh radon – một khí phóng xạ không màu, không mùi và là nguyên nhân chính gây ung thư phổi không do thuốc lá. Quá trình phân rã tự nhiên của radium sinh ra khí radon ($^{222}\text{Rn}$), có thể thoát ra từ lòng đất vào không khí, đặc biệt tại các khu vực nhà ở có tầng hầm không thông thoáng.

Các biện pháp kiểm soát ô nhiễm radium bao gồm:

1. Kiểm tra hàm lượng radium trong nước ngầm và xử lý bằng phương pháp trao đổi ion hoặc kết tủa
2. Giám sát không khí tại các khu vực có nguy cơ sinh radon cao
3. Xử lý chất thải phóng xạ đúng chuẩn tại các cơ sở khai thác khoáng sản

Chi tiết có thể tham khảo tại nguồn Lenntech: Radium - Water Treatment.

Quy định và an toàn

Với mức độ phóng xạ cao, radium được xếp vào nhóm vật liệu nguy hiểm và được quản lý chặt chẽ bởi các cơ quan chức năng trên toàn thế giới. Tại Hoa Kỳ, Ủy ban An toàn Hạt nhân (NRC) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) có các quy định nghiêm ngặt về việc vận chuyển, lưu trữ, sử dụng và xử lý radium.

Các yêu cầu tiêu biểu trong quản lý radium bao gồm:

• Đóng gói và bảo quản trong container chì hoặc thùng chứa cách ly bức xạ
• Gắn nhãn cảnh báo phóng xạ rõ ràng và không lưu trữ gần nơi có người sinh sống
• Người lao động tiếp xúc với radium phải được huấn luyện an toàn bức xạ và đeo thiết bị đo liều

Liều phơi nhiễm tối đa cho phép đối với radium-226 trong môi trường làm việc là 5 picocurie/lít trong nước uống, theo tiêu chuẩn của EPA. Vi phạm ngưỡng này có thể dẫn đến xử phạt hoặc đình chỉ hoạt động của cơ sở sử dụng radium.

Thêm chi tiết về chính sách quản lý radium có thể tìm thấy tại NRC.gov - Radium Regulation.

Thay thế và xu hướng hiện tại

Trong bối cảnh ngày càng nâng cao ý thức về an toàn phóng xạ, nhiều ứng dụng trước đây của radium đã được thay thế bằng vật liệu ít nguy cơ hơn. Ví dụ, sơn phát quang hiện đại sử dụng tritium – một đồng vị phóng xạ nhẹ hơn, có năng lượng phát xạ thấp hơn và khó xâm nhập cơ thể hơn. Ngoài ra, vật liệu photoluminescent không chứa phóng xạ đang được sử dụng rộng rãi trong đồng hồ, thiết bị hàng không và biển chỉ dẫn thoát hiểm.

Trong lĩnh vực y học, các đồng vị khác như technetium-99m, lutetium-177 hay iodine-131 đang được ưa chuộng hơn do có chu kỳ bán rã phù hợp, ít gây tổn thương mô lành và có thể điều khiển chính xác vùng tác động.

Bên cạnh đó, xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào:

• Tăng hiệu quả điều trị bằng đồng vị phóng xạ chọn lọc
• Giảm thời gian sống của các chất phóng xạ sau khi sử dụng
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và mô hình mô phỏng bức xạ trong y học hạt nhân

Theo World Nuclear Association, radium chỉ còn giữ vai trò hạn chế trong y học hiện đại và công nghiệp, nhưng vẫn đóng vai trò biểu tượng trong lịch sử phát triển khoa học nguyên tử.

Kết luận

Radium là một nguyên tố độc đáo – vừa là biểu tượng khoa học trong thời kỳ khám phá phóng xạ, vừa là cảnh báo nghiêm khắc về tác động của chất phóng xạ đến con người và môi trường. Từ ứng dụng y học đến bài học đạo đức trong công nghiệp, radium để lại dấu ấn lớn trong lịch sử khoa học hiện đại.

Hiện nay, radium vẫn được sử dụng trong một số trường hợp chuyên biệt, nhưng việc kiểm soát và giám sát chặt chẽ là yêu cầu bắt buộc. Sự hiểu biết khoa học và chính sách an toàn ngày càng hoàn thiện giúp đảm bảo rằng radium được sử dụng đúng mục đích, hiệu quả và an toàn cho thế hệ hiện tại và tương lai.