# Rubidi (Rubidium)

> Nguyên tố thứ hai tìm ra bằng quang phổ: đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh định vị, ngưng tụ Bose-Einstein, và cách đo tuổi đá Mặt Trăng

URL: https://tinhngay.com/hoa-hoc/nguyen-to/rubidium

## Hai vạch đỏ trên máy quang phổ

Cuối năm 1859, Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff ở Heidelberg dựng được một máy quang phổ tốt hơn các máy trước. Nguyên lý thì đơn giản. Đốt mẫu chất trong ngọn lửa rồi tách ánh sáng phát ra thành từng vạch màu riêng. Mỗi nguyên tố cho một bộ vạch không trùng với nguyên tố nào khác, nên nhìn vạch là biết trong mẫu có gì.

Năm 1860, hai người dùng máy đó tìm ra caesi. Năm 1861, cũng máy đó, họ thấy trong mẫu khoáng có hai vạch đỏ sẫm chưa ai ghi nhận. Tên rubidi lấy từ chữ Latin rubidus, nghĩa là đỏ sẫm, đặt theo hai vạch phổ ấy. Bản thân kim loại ánh bạc như mọi kim loại kiềm khác.

Để chắc đây là nguyên tố mới, hai người nấu 150 kg khoáng lepidolit, loại quặng chỉ chứa 0,24% rubidi oxit. Họ kết tinh đi kết tinh lại nhiều vòng để tách muối theo độ tan, cuối cùng thu được 0,51 gam rubidi clorua. Về sau cần nhiều hơn để nghiên cứu, họ cô đặc 44.000 lít nước khoáng mới lấy được 9,2 gam.

## Rubidi gặp nước thì sao?

Không ai cầm thử rubidi được, vì kim loại này bốc cháy ngay khi gặp không khí ẩm. Gặp nước thì còn dữ hơn.

Thả vào nước thì kali nổi lên mặt rồi mới phản ứng. Rubidi nặng hơn nước nên chìm xuống và phản ứng ngay dưới đáy. Phản ứng sinh ra khí hydro và một bazơ ăn mòn mạnh (bazơ là chất ngược với axit). Nhiệt toả ra đủ để đốt luôn khí hydro vừa sinh, nên thường là nổ.

Càng xuống dưới cột kim loại kiềm thì phản ứng càng dữ: kali, rồi rubidi, rồi caesi. Caesi nổ ngay khi vừa chạm nước. Vì vậy rubidi kim loại được đóng trong ống thuỷ tinh hàn kín, ngâm dầu khoáng khô, hoặc giữ dưới khí trơ.

## Đồng hồ nguyên tử rẻ nhất

Nguyên tử rubidi-87 có một nhịp riêng, cố định ở 6,835 gigahertz, giống một chiếc âm thoa không bao giờ lệch tông. Đồng hồ nguyên tử rubidi lấy nhịp đó làm mốc để khoá một bộ dao động thạch anh. Đồng hồ thạch anh thường cũng đếm nhịp dao động. Nhưng tần số của nguyên tử rubidi không đổi theo thời gian hay nhiệt độ, khác hẳn dao động của một tinh thể.

Đồng hồ caesi là loại chính xác nhất. Đồng hồ rubidi kém hơn, bù lại nhỏ và rẻ hơn rất nhiều. Một ống rubidi thương mại có thể chỉ chiếm 170 phân khối, chạy hơn 10 năm, giá khoảng 50 đô la. Một ống caesi cỡ dùng cho chuẩn quốc gia thì tốn quanh 35.000 đô la.

Vì chênh lệch đó, đồng hồ rubidi làm chuẩn tần số ở trạm phát sóng truyền hình, trạm gốc mạng di động và thiết bị đo kiểm viễn thông.

Trên quỹ đạo cũng vậy. Mỗi vệ tinh GPS mang ít nhất 2 đồng hồ caesi và tối đa 2 đồng hồ rubidi. Mỗi vệ tinh Galileo của châu Âu cũng mang 2 đồng hồ rubidi. Dưới mặt đất, người ta để đồng hồ rubidi chạy liên tục rồi định kỳ hiệu chỉnh bằng tín hiệu vệ tinh.

## Ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên làm bằng rubidi

Từ những năm 1924–1925, Bose và Einstein đã tính ra một chuyện lạ. Làm lạnh một đám nguyên tử xuống đủ thấp thì chúng mất gần hết chuyển động riêng. Cả đám cùng rơi vào một trạng thái lượng tử duy nhất, như thể hoá thành một hạt. Đây là trạng thái vật chất thứ năm, sau rắn, lỏng, khí và plasma (plasma là khí đã bị ion hoá).

70 năm sau, ngày 5/6/1995, Eric Cornell và Carl Wieman ở phòng thí nghiệm JILA làm được. Họ hạ khoảng hai nghìn nguyên tử rubidi-87 xuống dưới 170 phần tỉ độ trên không tuyệt đối. Đầu tiên là chiếu laser cho nguyên tử chậm lại. Sau đó để những nguyên tử nóng nhất thoát khỏi bẫy từ, giống như thổi bớt hơi nóng khỏi cốc nước.

Bốn tháng sau, nhóm của Wolfgang Ketterle ở MIT làm được tương tự với natri-23, số nguyên tử nhiều gấp trăm lần. Cả ba cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 2001.

Rubidi được chọn không vì lý do vật lý sâu xa nào. Rubidi bốc hơi dễ, và bước sóng ánh sáng cần để làm lạnh rubidi trùng với loại diode laser rẻ tiền bán sẵn. Từ đó tới nay, rubidi vẫn là nguyên tử quen thuộc nhất trong các phòng thí nghiệm làm lạnh.

## Rubidi-87 phóng xạ chậm, nên dùng đo tuổi đá được

28% rubidi trong tự nhiên là rubidi-87, một đồng vị phóng xạ. Chu kỳ bán rã của đồng vị này khoảng 49 tỉ năm, dài gấp hơn 3 lần tuổi vũ trụ. Gần như toàn bộ rubidi-87 có từ thuở Trái Đất mới hình thành vẫn còn nguyên tới giờ.

Rubidi-87 biến dần thành stronti-87 bền, với tốc độ biết trước. Cứ đếm trong đá có bao nhiêu stronti-87 đã sinh ra so với rubidi-87 còn lại là tính được khối đá bao nhiêu tuổi. Cách này đã đo tuổi đá lục địa, đá Mặt Trăng và thiên thạch.

## Vì sao rubidi không hiếm mà sản lượng tí hon

Rubidi không tạo ra khoáng vật của riêng mình. Ion rubidi chỉ to hơn ion kali chừng 1/10, đủ nhỏ để không làm méo mạng tinh thể. Vậy là rubidi chen được vào chỗ của kali trong fenspat hay mica, hai khoáng vật làm nên đá granit. Kali nhiều gấp hơn 2.000 lần rubidi trong vỏ Trái Đất, nên rubidi chỉ nằm rải rác trong khoáng vật kali ở nồng độ rất thấp.

Chỗ rubidi dồn lại nhiều nhất là hai khoáng vật kết tinh muộn trong mạch đá pegmatit: lepidolit chứa tới 3,2% rubidi, pollucit tới 1,4%. Cả hai đều được đào để lấy liti hoặc caesi, nên rubidi luôn là sản phẩm phụ. Tách ra cũng nhọc. Ba kim loại kiềm này giống nhau tới mức phải kết tinh lại tới 30 lần mới ra được muối rubidi sạch.

Theo báo cáo năm 2003 của USGS, rubidi đứng thứ 23 về độ phổ biến trong vỏ Trái Đất, và thứ 16 nếu chỉ tính kim loại. Vậy mà cả thế giới chỉ làm ra 2–4 tấn hợp chất rubidi mỗi năm. Năm 2001, một ống một gam rubidi kim loại tinh khiết bán 52 đô la.

Bunsen và Kirchhoff phải nấu 150 kg quặng mới cầm được 0,51 gam muối rubidi. Trong người một ai đó nặng 70 kg có sẵn khoảng 0,36 gam rubidi, gom về suốt đời mà không ai để ý. Tế bào không phân biệt được rubidi với kali, cứ nhặt vào bên cạnh 140 gam kali thật.

## 5 điều cần nhớ về rubidi