Ytterbi (Yb) là một nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm Lanthan, số nguyên tử 70. Ytterbi là kim loại có màu trắng bạc, mềm, được tìm thấy trong các khoáng vật gadolinit, monazit và xenotim. Nguyên tố này đôi khi xuất hiện cùng với Ytri hoặc các nguyên tố liên quan khác và được dùng trong ngành công nghiệp thép. Ytterbi tự nhiên có 7 đồng vị ổn định và Ytterbi-169 là đồng vị phóng xạ nhân tạo được dùng làm nguồn phát tia gamma cho các ứng dụng chụp ảnh bức xạ.
Ytterbi được nhà hóa học Thụy Điển Jean Charles Galissard de Marignac phát hiện năm 1878. Năm 1907, nhà hóa học người Pháp Georges Urbain tách ytterbia của Marignac thành hai thành phần: neoytterbia và lutecia. Neoytterbia có thể sau này được gọi là nguyên tố Ytterbi và Lutecia có thể là nguyên tố Luteti. Các tính chất vật lý và hóa học của Ytterbi đã không được xác định mãi cho đến năm 1953 khi Ytterbi gần như tinh khiết đầu tiên được sản xuất. Ytterbi mềm, dễ uốn và dễ kéo có ánh bạc, dễ hòa tan trong các axit vô cơ, phản ứng chậm với nước và bị oxy hóa chậm trong không khí. Ytterbi có 3 dạng thù hình gọi là alpha, beta và gamma với các điểm chuyển đổi trạng thái ở -13 °C và 795 °C. Dạng beta tồn tại ở nhiệt độ phòng và có cấu trúc tinh thể tâm mặt trong khi dạng gamma tồn tại ở nhiệt độ cao hơn có cấu trúc tâm khối. Thông thường dạng beta có độ dẫn diện giống kim loại, nhưng nó trở thành bán dẫn khi ở áp suất khoảng 1,6 GPa. Trái ngược với các kim loại đất hiếm khác, thường mang tính chất phản sắt từ hoặc sắt từ ở nhiệt độ thấp, Yb có tính thuận từ ở các giá trị nhiệt độ lớn hơn 1 K. Yb có điểm nóng chảy ở 824°C và điểm sôi ở 1196°C, điều này làm cho Yb có khoảng hóa lỏng hẹp so với các kim loại khác.
Quặng Ytterbi
Ytterbi có phản ứng hóa học tương tự như các nguyên tố trong nhóm Lanthan. Hầu hết các hợp chất được tìm thấy có trạng thái oxy hóa +3, các muối ở trạng thái này gần như không màu. Giống europi, samari hoặc thuli, các trihalogen có thể bị oxy hóa hoặc bị khử bởi hydro bằng cách thêm vào kim loại tạo ra các dihalogen. Trạng thái +2 phản ứng tương tự với các hợp chất của kim loại kiềm thổ, như Ytterbi(II)oxit(YbO) có cùng cấu trúc như calci oxit (CaO).
Ytterbi trong tự nhiên gồm 7 đồng vị bền: Yb-168, Yb-170, Yb-171, Yb-172, Yb-173, Yb-174 và Yb-176, trong đó Yb-174 là đồng vị phổ biến nhất chiếm 31,83%. Cho đến nay, có 27 đồng vị phóng xạ của Yb đã được phát hiện, trong đó đồng vị ổn định nhất là Yb-169 có chu kỳ bán rã 32,026 ngày, Yb-175 là 4,185 ngày, và Yb-166 là 56,7 giờ. Tất cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 2 giờ và đa số trong đó có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 20 phút. Nguyên tố này có 12 đòng vị ổn định giả, trạng thái ổn định nhất là Yb-169m (t½ = 46 giây). Khối lượng nguyên tử của các đồng vị ytterbi nằm trong khoảng từ 147,9674 u (Yb-148) đến 180,9562 u (Yb-181). Cơ chế phân rã chủ yếu trước đồng vị ổn định nhất Yb-174 là bắt điện tử và cơ chế chủ yếu sau là phát tia beta. Các sản phẩm phân rã chủ yếu trước Yb-174 là các đồng vị của nguyên tố thuli và sau là các đồng vị của nguyên tố luteti.
Phân rã Yb-169
Cũng như nhiều nguyên tố lantan, Ytterbi chủ yếu được tìm thấy trong khoáng vật monazit. Nó có thể được chiết xuất bằng phương pháp trao đổi ion và chiết xuất dung môi. Ngày nay, Ytterbi hầu như thu được thông qua quá trình trao đổi ion từ cát monazit – vật liệu giàu nguyên tố đất hiếm. Ytterbi có một số công dụng: được hợp kim hóa với thép không gỉ để cải thiện một số tính chất cơ học của thép và được sử dụng như một chất phụ gia trong cáp quang, sử dụng như một bộ khuếch đại. Ytterbi được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như thiết bị nhớ và laser có thể điều chỉnh. Nó cũng được sử dụng như một chất xúc tác công nghiệp và ngày càng được lựa chọn để thay thế các chất xúc tác khác được coi là rất độc hại và gây ô nhiễm. Đồng vị phóng xạ của Ytterbi, Yb-169, được sử dụng như nguồn bức xạ cho máy X-quang di động không cần điện. Dưới áp lực vật lý rất cao, điện trở của ytterbi tăng lên. Vì lý do này, nó được sử dụng trong các thiết bị đo ứng suất để theo dõi các biến dạng của đất.
Hệ thống Laser sợi pha tạp Ytterbi
Đối với lĩnh vực y học: Các hạt chứa chất phóng xạ Yb-169 gần đây đã được sản xuất để có thể áp dụng cho các liệu pháp xạ trị áp sát. Yb-169 phát ra các photon có năng lượng trung bình là 93 keV (không bao gồm năng lượng nhỏ hơn 10 keV) và phân rã với chu kỳ bán rã hơn 32 ngày. Các hạt Yb-169 tạo ra nhiều phân phối liều đẳng hướng hơn và đối với các mô cấy vĩnh viễn, có thể phân phối nó với tốc độ liều ban đầu lớn hơn. Yb-169 được đánh giá có nhiều tiềm năng ứng dụng dụng nhờ khả năng bảo vệ bức xạ, khả năng xuyên thấu và phân bố liều lượng trong xạ trị áp sát động mạch đang phát triển nhanh chóng. So với Ir-192, hạt nhân phóng xạ được sử dụng phổ biến nhất (nguồn phát beta và gamma) trong các thử nghiệm lâm sàng đối với xạ trị nội mạch vành, Yb-169 có phân bố liều tương tự trong phạm vi milimet và cung cấp các biện pháp bảo vệ bức xạ đơn giản hơn cho cả bệnh nhân và nhân viên phòng thí nghiệm thông tim. Ngoài ra, đối với các mô cấy tạm thời, Yb-169 cũng đã được chứng minh là chất thay thế hữu ích cho Ir-192 hoặc Cs-137 vì mức phát thải năng lượng thấp hơn. Trong thực hành lâm sàng, hạt iốt-125 được sử dụng làm nguồn xạ trị áp sát vĩnh viễn. Tuy nhiên, Yb-169 đã được nghiên cứu như là một chất thay thế I-125 cho cấy ghép vĩnh viễn với năng lượng photon cao hơn là 92,7 keV, thời gian bán hủy ngắn hơn, tỷ lệ liều ban đầu cao hơn và cải thiện tính đồng nhất của liều.
Dạng cấu hình cơ bản nguồn Yb-169 trong xạ trị áp sát
Đối với lĩnh vực công nghiệp: Yb-169 được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chụp ảnh phóng xạ chất lượng cao và độ dày của thép nằm trong khoảng 4-15mm. Yb-169 phát ra các photon năng lượng thấp rất phù hợp để chụp X quang cận cảnh.
Phổ năng lượng của Yb-169
Đối với khoa học đời sống: Mẫu đồng hồ nguyên tử hiện đại nhất được chế tạo bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) vận hành dựa trên mạng tinh thể của các nguyên tử ytterbi, qua đó trở thành hệ thống đồng hồ nguyên tử hoạt động chính xác và ổn định nhất thế giới hiện nay. Khi nói đến đồng hồ nguyên tử, tính ổn định đề cập tới mức độ nhất quán về thời gian của mỗi lần điểm (tick) trên đồng hồ. Ytterbi có số lần điểm lên đến hàng nghìn tỷ lần một giây. Ngoài ra, mỗi lần điểm đều phải cực kỳ chính xác, bởi nếu một lần điểm quá nhanh trong khi những lần điểm khác lại quá chậm, độ chính xác chung của của đồng hồ sẽ bị ảnh hưởng. Ngay cả khi sự khác biệt triệt tiêu lẫn nhau trên thang giây hoặc phút, những dao động sai lệch nhỏ nhất cũng có thể làm cho đồng hồ hoạt động kém hiệu quả hơn ở thang mili giây hoặc nano giây.
Ytterbi có độ ổn định cực cao, do đó, đồng hồ nguyên tử ytterbi có độ chính xác vượt qua thang nano giây, cho đến thang picô giây (1/1000 của một giây) và femtô giây (1/1.000.000.000.000.000.000 của một giây). Với độ chính xác cao hơn 100 lần so với chiếc đồng hồ nguyên tử Cs, chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới Ytterbi sở hữu tần số dao động lên tới 10e14 hoặc 10e15 Hz, điều này giúp đồng hồ có độ sai số gần như không có.
Từ khóa: Ytterbi; đồng vị phóng xạ; Yb-169; chụp ảnh phóng xạ; xạ trị; đồng hồ chính xác;
– CMD&DND –
