Cách mới có thể phá vỡ giới hạn bảng tuần hoàn
Mở ra những biên giới mới của bảng tuần hoàn là cuộc chạy đua giữa các phòng thí nghiệm hiện đại bậc nhất thế giới. Giờ đây, cuộc đua ấy càng thêm gia nhiệt khi Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) của Bộ Năng lượng Mỹ đã hoàn thiện được một bước đi quan trọng có tiềm năng tạo ra một nguyên tố khác: nguyên tố 120.
Một nhóm các nhà khoa học quốc tế do Nhóm nguyên tố nặng của Berkeley Lab dẫn dắt mới loan báo rằng họ đã tạo được ra nguyên tố siêu nặng 116 bằng việc sử dụng chùm tia titanium, một đột phá được đánh giá như một bước tiến vô cùng quan trọng để hướng đến nguyên tố 120. Kết quả này đã được trình bày tại Hội nghị Cấu trúc hạt nhân 2024 1; bài báo khoa học sẽ được họ tải lên trang arXiv và sẽ được gửi tới tạp chí Physical Review Letters.
“Trước nay chưa từng có phản ứng này, và nó đóng vai trò cốt lõi trong việc chứng tỏ là có thể tạo ra nguyên tố mới 120 trước khi chúng tôi thực hiện điều đó”, theo nhận xét của Jacklyn Gates, một nhà khoa học hạt nhân tại Berkeley Lab, người dẫn dắt nghiên cứu. “Việc tạo ra một nguyên tố mới là một kỳ tích hiếm hoi mới đạt được. Thật phấn khích khi trở thành một phần của quá trình đó và thấy được một con đường vô cùng hứa hẹn phía trước”.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra hai nguyên tử của nguyên tố 116, livermorium, trong suốt 22 ngày vận hành máy gia tốc ion nặng của phòng thí nghiệm, 88-Inch Cyclotron. Cơ hội tạo ra được một nguyên tử của nguyên tố 120 vô cùng hiếm hoi nhưng có thể thông qua việc đánh giá tỉ lệ tạo ra 116. Đó là một phản ứng mà các nhà khoa học co thể tìm kiếm một cách hợp lý trong lĩnh vực này trong nhiều năm.
Reiner Kruecken, giám đốc của Phòng khoa học hạt nhân ở Berkeley Lab nói “Chúng tôi nghĩ rằng có thể thời gian tạo ra nguyên tố 120 sẽ dài hơn gấp 10 lần nguyên tố 116. Không hề dễ dàng nhưng từ đây, dường như có thể đạt được”.
Nghiên cứu này “thực sự là một đột phá”, theo nhận xét của Hiromitsu Haba, người dẫn dắt Nhóm nghiên cứu nguyên tố siêu nặng của RIKEN tại Saitama, Nhật Bản. “Cuộc tìm kiếm các nguyên tố siêu nặng sau nguyên tố 118, oganesson, đã được chứng minh là một thách thức lớn”. Trong khi đó, Yuri Oganessian, người dẫn dắt Phòng thí nghiệm Các phản ứng hạt nhân Flerov tại Viện liên hợp hạt nhân (JINR) ở Dubna, Nga, nói dữ liệu thu thập được của các thí nghiệm mà Gates thu được là “một bước bắt buộc trên con đường tìm kiếm các nguyên tố mới”. Ông từng tham gia vào tổng hợp một số nguyên tố mới và tên ông được dùng để đặt cho nguyên tố 118, oganesson.
Nếu thành công, nguyên tố 120 có thể sẽ là nguyên tử nặng nhất được tạo ra và có thể được xếp vào nhóm tám của bảng tuần hoàn. Đó là đường biên của “đảo bền”, một nhóm lý thuyết về các nguyên tố siêu nặng với những đặc tính độc đáo.
Trong khi các nguyên tố siêu nặng được khám phá hầu như tức thời, sự kết hợp đúng của các proton và neutron có thể tạo ra một hạt nhân bền hơn và tồn tại trong thời gian dài hơn – nó trao cho các nhà khoa học một cơ hội tốt hơn để nghiên cứu nó. Việc khám phá các nguyên tố có thể đem lại cái nhìn sâu hơn vào cách các nguyên tử hành xử, thử nghiệm các mô hình vật lý hạt nhân và lập bản đồ về giới hạn của hạt nhân nguyên tử.
Tạo ra các nguyên tố siêu nặng
Công thức tạo ra các nguyên tố siêu nặng rất đơn giản về mặt lý thuyết. Anh có thể va chạm hai nguyên tố nhẹ hơn với nhau, kết hợp lại để có số proton mình muốn trong nguyên tử mong muốn. Đó là một thứ toán học cơ bản: 1+2=3.
Trên thực tế, quá trình này vô cùng khó. Có thể cần đến hàng nghìn tỉ tương tác trước khi hai nguyên tử hợp nhất một cách thành công, và có nhiều giới hạn lên việc các nguyên tố có thể được chuyển đổi một cách hợp lý trong một chùm tia hạt hoặc bia.
Các nhà nghiên cứu lựa chọn các đồng vị cụ thể, các dạng khác nhau của các nguyên tố mà có cùng số lượng proton nhưng lại có số neutron khác nhau, cho chùm tia và bia của mình. Bia nặng nhất trên thực tế là một đồng vị gọi là californium-249 với 98 proton. (Một bia nặng hơn như loại bia được làm từ fermium với 100 proton, có thể phân rã quá nhanh). Điều đó có nghĩa là nỗ lực để tạo ra nguyên tố 120, các nhà nghiên cứu không thể sử dụng chùm tia tới của calcium-48 với 20 proton của nó. Thậm chí, họ cần một chùm tia các nguyên tử với 22 proton: titanium, ít khi được dùng để tạo ra các nguyên tố siêu nặng.
Mất nhiều tuần, các chuyên gia tại 88-Inch Cyclotron mới xác định cách họ có thể tạo ra được một chùm tia có cường độ phù hợp của đồng vị titanium-50 và sử dụng nó để tạo ra nguyên tố 116, nguyên tố nặng nhất từng được khám phá ở Berkeley Lab.
Cho đến bây giờ thì nguyên tố 114 đến 118 chỉ được tạo ra trên chùm tia calcium-48, một đồng vị được coi là đặc biệt hay “kỳ diệu” về số neutron và proton có thể giúp hợp nhất các hạt nhân của bia để tạo ra các nguyên tố siêu nặng. Nó cũng dẫn đến một câu hỏi mở trong lĩnh vực này là liệu có thể tạo ra các nguyên tố siêu nặng gần đảo bền bằng việc sử dụng chùm tia “phi kỳ diệu” như titanium-50 hay không?
“Đây là một bước quan trọng đầu tiên để cố gắng tạo ra một chút gì đó dễ dàng hơn một nguyên tố mới để xem xem mọi việc trên chùm tia calcium đến chùm tia titanium như thế nào? có làm thay đổi tỉ lệ mà chúng tôi tạo ra các nguyên tố không”, Jennifer Pore, một nhà khoa học tại Nhóm nguyên tố nặng ở Berkeley Lab, nói.
“Khi cố gắng thực hiện nghiên cứu với những nguyên tố hiếm, chúng tôi đã đứng ở đường biên của hiểu biết và tri thức con người. Không có gì đảm bảo là vật lý sẽ vận hành theo cách chúng tôi chờ đợi. Việc tạo ra nguyên tố 116 với titanium sẽ đánh giá phương pháp này và chúng tôi giờ có thể lên kế hoạch săn tìm nguyên tố 120”.
Kế hoạch tạo ra nguyên tố siêu nặng trên hệ thống cơ sở vật chất tiên tiến của Berkeley Lab nằm trong Kế hoạch dài hạn cho khoa học hạt nhân của Hội đồng tư vấn khoa học hạt nhân.
Những kỳ tích kỹ thuật
Việc tạo ra được chùm tia đồng vị titanium có cường độ phù hợp không phải là chuyện dễ dàng. Quá trình này bắt đầu với một lượng titanium-50 nhất định, một đồng vị hiếm của titanium chiếm 5% tổng lượng titanium có trên trái đất. Phần kim loại này được đưa vào một cái lò có kích thước gần bằng đốt cuối cùng của ngón tay út bạn. Cái lò này gia nhiệt lên thứ kim loại đó cho đến khi nó bắt đầu hóa hơi, giống như khí thoát khỏi miếng băng khô, tại mức nhiệt độ gần 3000 độ F.
Tất cả đều được diễn ra trên một nguồn ion được gọi là VENUS, một nam châm siêu dẫn phức hợp hoạt động như một cái chai chứa plasma. Các electron tự do di chuyển theo đường xoắn ốc qua plasma, thu được năng lượng như khi chúng bị các vi sóng bắn phá và bị rút bớt đi 12 trong số 22 electron của titanium. Một khi được tích thêm electron, titanium có thể được điều khiển bằng từ và được gia tốc trên 88-Inch Cyclotron.
“Chúng tôi biết rằng khó có thể có được các chùm tia titanium dòng điện cao bởi vì titanium phản ứng với nhiều loại khí khác nhau và ảnh hưởng lên nguồn ion và độ bền của chùm tia”, Damon Todd, một nhà vật lý máy gia tốc tại Berkeley Lab và tham gia nhóm nguồn ion. “Cái lò cảm ứng mới của chúng tôi có thể giữ được nhiệt độ đã được ấn định trong nhiều này nên có thể giữ lượng titanium thu được một cách ổn định và hướng đến plasma tại VENUS để tránh các vấn đề về tính bền. Chúng tôi cảm thấy vô cùng hài lòng với việc tạo ra chùm tia của mình”.
Mỗi giây, có khoảng 6 nghìn tỉ ion titanium bắn vào bia (plutonium để tạo ra nguyên tố 116, californium để tạo ra nguyên tố 120), mỏng hơn một tờ giấy và quay để phân tán nhiệt. Những người vận hành máy gia tốc đưa chùm tia đến mức năng lượng phù hợp. Quá thấp thì các đồng vị không thể hơp nhất thành một nguyên tố nặng. Quá lớn thì titanium sẽ thổi các hạt nhân văng khỏi bia.
Khi nguyên tố siêu nặng siêu hiếm hình thành, nó được chia tách khỏi phần còn lại của hạt bằng từ trong thiết bị tách chứa khí của Berkeley (BGS). Thiết bị BGS đã vượt qua cả máy dò silicon siêu nhạy SHREC: máy dò giật lùi hạt nhân siêu nặng. SHREC có thể nắm bắt được năng lượng, địa điểm, thời gian, thông tin cho phép các nhà khoa học nhận diện được nguyên tố nặng khi nó phân rã thành các hạt nhẹ hơn.
“Chúng tôi rất tự tin là chúng tôi đã thấy được nguyên tố 116 và các hạt chị em của nó”, Gates nói. Có một trong số 1 nghìn tỉ cơ hội và đó là một sự may mắn thống kê”.
Lên kế hoạch cho nguyên tố 120
Vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi các nhà nghiên cứu nỗ lực tạo ra nguyên tố 120. Các chuyên gia tại 88-Inch Cyclotron tiếp tục làm việc để chuẩn bị cho cỗ máy này có thể sẵn sàng với một bia được tạo thành từ californium-249, và sẽ cần cả các đối tác tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge để đưa khoảng 45 milligrams californium vào tấm bia này.
“Chúng tôi đã chứng tỏ là chúng tôi có năng lực thiết bị thực hiện dự án này, và thứ vật lý này dường như là có thể”, Kruecken nói. “Một khi chúng tôi có bia, khiên chắn, và những kiểm soát kỹ thuật sẵn sàng thì chúng tôi cũng sẽ sẵn sàng thực hiện thực nghiệm đầy thách thức này”.
Thời gian cho thực nghiệm vẫn còn chưa được xác định nhưng các nhà nghiên cứu có thể bắt đầu nỗ lực này vào năm 2025. Một khi bắt đầu, có thể mất nhiều năm chỉ để thấy một vài nguyên tử của nguyên tố 120, nếu nó xuất hiện.
“Chúng tôi muốn phác họa ra các giới hạn của nguyên tử, và các giới hạn của bảng tuần hoàn”, Gates nói. Các nguyên tố siêu nặng mà chúng ta biết không tồn tại đủ lâu để sử dụng cho các mục đích này nhưng chúng tôi không biết tương lai có thể nắm giữ những gì trong tay. Có thể là một hiểu biết sâu hơn về cách các nguyên tử hoạt động hoặc có thể là những gì đó xa hơn”.
Nhóm hợp tác cho nghiên cứu lớn này gồm các nhà nghiên cứu của Berkeley Lab, ĐH Lund, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Lawrence Livermore, ĐH bang San José, ĐH Strasbourg, ĐH Liverpool, ĐH bang Oregon, ĐH Texas A&M, UC Berkeley, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, ĐH Manchester, ETH Zürich, và viện nghiên cứu Paul Scherrer.
Việc thực hiện kế hoạch này, dẫu sao, vẫn đầy thách thức. “Giờ chúng ta chỉ có thể nói rằng tổng hợp nguyên tố 120 không đến nỗi là vô vọng. Nhưng giá của nó là bao nhiêu?”, Oganessian đặt câu hỏi. Ông ước tính, có thể phải mất khoảng sáu năm vận hành liên tục để tạo ra nguyên tố 120. Ông cũng cho biết thêm là cần nhiều thực nghiệm chuẩn bị nữa như các thực nghiệm mà nhóm của ông đã làm và nhóm ở Berkeley nữa. Chúng sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được việc làm thế nào để giảm được thời gian thách thức này – “trừ phi có một phép màu xảy ra, dĩ nhiên là trong khoa học thì chúng ta không thể loại trừ được hoàn toàn điều này”.
Thanh Hương tổng hợp
https://www.nature.com/articles/d41586-024-02416-3
————————————————-
1.https://indico.phy.anl.gov/event/45/page/93-program-snapshot
2.https://science.osti.gov/-/media/np/nsac/pdf/reports/2024/2024-NSAC-LRP-Report_Final.pdf
