Kripton: chất khí từng định nghĩa một mét suốt 23 năm

Ramsay tìm ra kripton bằng cách cô cạn không khí lỏng

Năm 1898, William Ramsay và Morris Travers làm lạnh không khí cho tới khi hoá lỏng. Rồi hai người cho bay hơi dần và hứng từng chất khí bốc lên theo lượt, cách này gọi là chưng cất phân đoạn. Nitơ bay trước, rồi oxy, rồi agon.

Ngày 30/5 năm đó, chất khí còn lại trong bình được xác định là một nguyên tố mới, thu được chừng 25 phân khối.

Vài tuần sau, cũng cách ấy, hai người tách tiếp được neon. Ramsay nhận giải Nobel Hoá học năm 1904 cho cả nhóm khí hiếm.

Tên gọi ấy hợp với lượng kripton trong không khí, chỉ khoảng 1 phần triệu thể tích, lẫn giữa agon nhiều gấp chừng 10.000 lần. Muốn có kripton thì phải cô cạn cả một mẻ không khí lỏng. Sao Hoả cũng có kripton, nhưng loãng hơn nữa, chỉ khoảng 0,3 phần triệu.

Tên kripton còn đi xa hơn phòng thí nghiệm. Năm 1938, Jerry Siegel và Joe Shuster lấy tên nguyên tố này đặt cho hành tinh quê hương Superman. Tới năm 1943, một vở kịch truyền thanh mới nghĩ ra loại đá làm Superman yếu đi, và lấy tên theo hành tinh Krypton.

Vì sao một mét từng được đo bằng ánh sáng kripton

Từ năm 1889, một mét là chiều dài một thanh hợp kim platin iridi cất ở Sèvres, ngoại ô Paris. Định nghĩa kiểu đó có chỗ yếu thấy ngay. Thanh kim loại thì mòn được, hỏng được.

Năm 1960, Văn phòng Cân đo Quốc tế đổi cách định nghĩa. Một mét từ đó là 1.650.763,73 lần bước sóng của một vạch sáng xác định mà kripton-86 phát ra trong chân không. Bất cứ phòng thí nghiệm nào có một đèn phóng điện kripton cũng dựng lại được cái thước ấy, không cần xin phép ai. Kripton được chọn vì đèn phóng điện kripton cho công suất cao và chạy ổn định.

Định nghĩa này dùng được 23 năm. Tới năm 1983, một mét thành quãng đường ánh sáng đi trong chân không trong 1/299.792.458 giây. Lý do đổi là một vạch sáng, dù hẹp tới đâu, vẫn có bề rộng, nên đo vẫn có sai số. Tốc độ ánh sáng thì chính xác tuyệt đối, không vướng giới hạn đó.

Laser kripton in mạch lên chip

Trộn kripton với flo rồi phóng điện thật mạnh vào hỗn hợp. Hai nguyên tố dính tạm vào nhau thành một phân tử chỉ sống được khi đang mang nhiều năng lượng. Phân tử ấy lập tức nhả năng lượng ra thành một hạt ánh sáng, rồi rã lại thành kripton và flo. Hạt ánh sáng ấy có bước sóng 248 nanomet, nằm sâu trong vùng tử ngoại.

Tên nghe giống vũ khí hay lò nhiệt hạch. Nhưng việc chính của laser này là quang khắc, nghĩa là chiếu ánh sáng qua một tấm mặt nạ để in mạch lên tấm bán dẫn. Bước sóng càng ngắn thì nét in càng mảnh, và nét càng mảnh thì một con chip càng nhét được nhiều transistor.

Chip làm bằng kỹ thuật quang khắc với loại laser này hiện có sản lượng hơn 400 tỉ đô la mỗi năm. Nghiên cứu nhiệt hạch cũng dùng loại laser này, nhưng ít hơn nhiều.

Kripton-85 tố cáo nơi đang tách plutoni

Kripton-85 sinh ra trong lò hạt nhân. Cứ 1.000 lần hạt nhân vỡ ra (phân hạch) thì có chừng 3 nguyên tử kripton-85. Đây là một đồng vị của kripton, nghĩa là vẫn là kripton nhưng hạt nhân nặng hơn, và đồng vị này phóng xạ.

Cứ 10,76 năm thì một nửa lượng kripton-85 phân rã hết. Khoảng thời gian ấy đủ dài để khí lan khắp khí quyển. Cũng đủ ngắn để lượng đo được nói lên chuyện gần đây, không phải chuyện mấy chục năm trước.

Kripton-85 tố cáo được là vì khí này nằm yên trong thanh nhiên liệu đã dùng. Khí chỉ thoát ra khi người ta hoà tan thanh nhiên liệu để lấy lại plutoni hoặc urani, nghĩa là khi tái chế.

Vì vậy đo thấy kripton-85 nhiều bất thường quanh một địa điểm là biết nơi đó đang tách plutoni, dù có giấu kỹ tới đâu. Đầu những năm 2000, các nhà máy tái chế ở Triều Tiên và Pakistan bị phát hiện theo cách này.

Từ năm 1976 tới 2005, lượng kripton-85 trong khí quyển tăng từ khoảng 0,6 lên 1,3 becquerel mỗi mét khối. Phần lớn là do các nhà máy tái chế dân sự. Becquerel là số lần phân rã mỗi giây. Nồng độ ở Bắc Cực cao hơn Nam Cực chừng 30%, vì các nhà máy tái chế lớn đều nằm ở bắc bán cầu.

Kripton có tạo được hợp chất không?

Suốt nhiều thập kỷ, sách vở dạy rằng khí hiếm không chịu phản ứng với chất nào. Niềm tin đó hỏng năm 1962, khi Neil Bartlett làm ra hợp chất xenon đầu tiên. Ngay năm sau, 1963, hai nhóm nghiên cứu độc lập cùng tổng hợp được kripton diflorua.

Hợp chất ấy có thật, nhưng yếu. Trong phân tử này, liên kết giữa kripton và flo yếu nhất trong mọi liên kết với flo từng đo được ở một hợp chất giữ được nguyên vẹn. Để ở nhiệt độ phòng, kripton diflorua tự rã khoảng 10% mỗi giờ, muốn giữ thì phải để ở -78 °C.

Thứ tự yếu dần này theo đúng bảng tuần hoàn. Nguyên tử xenon to hơn, electron ngoài cùng bị giữ lỏng hơn nên dễ đem ra tạo liên kết hơn kripton. Agon thì nhỏ hơn kripton, và chưa ai làm ra được hợp chất bền của agon ở điều kiện thường.

Kripton trong bóng đèn tốt hơn agon nhưng đắt hơn nhiều

Kripton vừa nặng hơn vừa dẫn nhiệt kém hơn agon. Hai tính chất đó đều có lợi khi nạp vào bóng đèn sợi đốt. Ít nhiệt thoát khỏi dây tóc hơn nên bóng làm nhỏ lại được mà vẫn đủ sáng, còn dây tóc bay hơi chậm hơn nên đốt nóng hơn được. Cùng lý do dẫn nhiệt kém, kripton được bơm vào khoảng trống giữa hai lớp kính của cửa sổ cách nhiệt.

Vậy mà agon vẫn thắng ở hầu hết chỗ, chỉ vì giá. Kripton không có mỏ, không có nguồn nào khác ngoài không khí, và tách được một lượng kripton dùng được đòi hỏi chưng cất phân đoạn qua nhiều chặng. Vì thế kripton chỉ đáng dùng ở những bóng đèn nhỏ, vì lượng khí nạp vào ít tới mức giá khí không đáng kể.

Hơn 60 năm sau ngày Ramsay và Travers đặt cho kripton tên kẻ ẩn giấu, chất khí ấy thành thước đo chiều dài của cả thế giới.

5 điều cần nhớ về kripton

1. 1 Từ 1960 tới 1983, một mét là 1.650.763,73 bước sóng ánh sáng của kripton-86, trước khi tốc độ ánh sáng thay chỗ.
2. 2 Kripton chiếm khoảng 1 phần triệu thể tích khí quyển, nằm lẫn giữa agon nhiều gấp 10.000 lần, nên tên gọi nghĩa là kẻ ẩn giấu.
3. 3 Laser kripton florua phát tia tử ngoại 248 nanomet, dùng chủ yếu để in mạch lên chip.
4. 4 Kripton-85 chỉ thoát ra khi người ta hoà tan thanh nhiên liệu hạt nhân, nên đo được chất này là biết nơi đó đang tách plutoni.
5. 5 Khí hiếm không trơ tuyệt đối. Kripton diflorua có thật từ năm 1963, nhưng ở nhiệt độ phòng tự rã khoảng 10% mỗi giờ.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Định nghĩa mét năm 1960 và năm 1983 đối chiếu trên cả PubChem lẫn các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Số liệu kripton-85 theo một nghiên cứu bình duyệt năm 2004 trên Journal of Environmental Radioactivity, dẫn lại qua Wikipedia. Giá trị sản xuất chip bằng quang khắc laser excimer theo nguồn ngành mà Wikipedia dẫn. Chuyện tách khí năm 1898 đối chiếu thêm với Hội Hoá học Hoàng gia Anh. Tính chất kripton diflorua theo Wikipedia, phân loại an toàn theo PubChem. Chuyện hành tinh Krypton và kryptonite theo Wikipedia; ứng dụng bóng đèn và cửa sổ cách nhiệt theo Wikipedia và PubChem. Đối chiếu lại lần cuối 12/09/2026.