Lời chào từ đảo bền tăng cường: Cuộc truy tìm giới hạn của bảng tuần hoàn
Kể từ đầu thế kỷ, sáu nguyên tố hóa học mới đã được khám phá và tăng thêm các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, biểu tượng của hóa học. Những nguyên tố mới đó có các số nguyên tử rất lớn lên tới 118 và nặng hơn một cách đáng kể với uranium, nguyên tố có số nguyên tử cao nhất (92) được tìm thấy rất nhiều trên trái đất.
Điều này còn làm dấy lên những câu hỏi tiếp theo: còn có bao nhiêu nguyên tố siêu nặng nữa đang chờ được khám phá? Nơi nào – nếu có nó – là một giới hạn trong việc tạo ra những nguyên tố đó? Và những gì những đặc trưng của cái gọi là đảo bền tăng cường là gì?
Trong một bài báo mới đây, các chuyên gia hóa học và vật lý thực nghiệm lẫn lý thuyết về các nguyên tố nặng nhất cũng như hạt nhân của chúng đã đưa ra kết luận về những thách thức lớn nhất và đề xuất một cái nhìn mới mẻ về các nguyên tố siêu nặng và giới hạn của bảng tuần hoàn.
Một trong số họ là giáo sư Christoph Düllmann từ Viện GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ở Darmstadt, trường đại học Johannes Gutenberg Mainz, và Viện nghiên cứu Mainz Helmholtz (HIM). Trong ấn bản tháng hai, Nature Review Physics đã đăng tải chủ đề này như một câu chuyện chính của số báo.
Hình dung một đảo bền của hạt nhân siêu nặng
Ngay từ nửa đầu thế kỷ 20, các nhà nghiên cứu đã nhận ra là khối lượng của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn tổng số khối lượng của các hợp phần proton và neutron của chúng. Sự khác biệt trong khối lượng phản hồi với mức năng lượng liên kết của hạt nhân. Các con số của neutron và proton dẫn đến gắn kết mạnh hơn và liên quan đến cái mà các nhà khoa học gọi là “con số kỳ diệu”.
Trên thực tế, các nhà khoa học quan sát sớm về các proton và neutron chuyển động trong từng lớp vỏ tương đồng với lớp vỏ electron, với hạt nhân của chì kim loại thành nguyên tố nặng nhất với các lớp vỏ đầy đủ một cách hoàn toàn chứa 82 proton và 126 neutron – một hạt nhân kỳ diệu kép.
Những dự đoán lý thuyết ban đầu đề xuất là tính bền mở rộng từ các con số “kỳ diệu” tiếp theo, từ các hạt nhân đã biết, có thể dẫn đến việc có những thời gian tồn tại tương đương tuổi trái đất. Điều này dẫn đến khái niệm đảo bền của các hạt nhân siêu nặng khác với uranium và những “hàng xóm” của chúng bằng một biển bền.
Có vô số sự tái hiện về mặt đồ họa đảo bền, mô tả như một hòn đảo xa cách biệt. Nhiều thập kỷ qua kể từ sự đột sinh của bức tranh đó, đã đến lúc cần có một cái nhìn mới vào tính bền của các hạt nhân siêu nặng và xem xét nơi nào cuộc hành trình đến giới hạn của khối lượng và điện tích dẫn chúng ta tới.
Trong bài báo “The quest for superheavy elements and the limit of the periodic table” (Cuộc truy tìm các nguyên tố siêu nặng và giới hạn của bảng tuần hoàn” 1, các tác giả miêu tả hiểu biết hiện tại và những thách thức đáng kể nhất trong lĩnh vực của các nguyên tố siêu nặng. Họ cũng trình bày những đánh giá chính về sự phát triển của nó trong tương lai.
Các nguyên tố đến oganesson (nguyên tố 118) đã được tạo ra trong các thực nghiệm, được đặt tên và đưa vào bảng tuần hoàn trên các thiết bị gia tốc trên thế giới, như GSI tại Darmstadt và trong tương lai tại FAIR, một trung tâm máy gia tốc quốc tế đang được xây dựng ở GSI. Các nguyên tố mới đều không bền, với những nguyên tố nặng nhất chỉ tồn tại và phân rã ngay trong vài giây.
Một phân tích chi tiết hơn cho thấy vòng đời của chúng gia tăng về phía con số kỳ diệu của neutron là 184. Trong trường hợp của copernicium (nguyên tố 112), được khám phá tại GSI, vòng đời gia tăng từ ít hơn một phần nghìn một giây đến 30 giây. Tuy nhiên, con số neutron 184 vẫn còn xa mới chạm được đến, vì vậy con số 30 giây cũng chỉ giúp các nhà khoa học tiến thêm một bước trên con đường này.
Kể từ miêu tả lý thuyết vẫn đứng trước những bất định lớn, không đồng thuận về khả năng của vòng đời dài nhất và chúng sẽ kéo dài trong bao lâu. Tuy nhiên, có một sự đồng ý chung là sẽ không phải chờ đợi lâu để thấy hạt nhân siêu nặng bền thực sự.
Làm mới bản đồ của các nguyên tố siêu nặng
Điều này dẫn đến việc xem xét lại vấn đề nguyên tố siêu nặng theo hai cách chính. Một là chúng ta thay vì đến bờ của các vùng bền tăng cường và xác nhận về thực nghiệm khái niệm của một đảo bền tăng cường. Hai là chúng ta không biết rõ vùng này rộng như thế nào – để ở lại với bức tranh này. Các thời gian tồn tại sẽ đạt với mức độ như thế nào, với cao độ của các ngọn núi trên hòn đảo bền tăng cường tái hiện một cách cụ thể tính bền, và nơi nào sẽ xuất hiện những mức thời gian tồn tại lâu nhất?
Nature Reviews Physics đã thảo luận một số khía cạnh của lý thuyết hạt nhân và cấu trúc điện tử liên quan, bao gồm sự tổng hợp và dò các hạt nhân và nguyên tử siêu nặng trong phòng thí nghiệm hay trong các sự kiện thiên văn hạt nhân, cấu trúc và tính bền của nó, và vị trí của các nguyên tố siêu nặng hiện tại và được biết trước trên bảng tuần hoàn.
Cuộc điều tra chi tiết về các nguyên tố siêu nặng vẫn là một trụ cột quan trọng của chương trình nghiên cứu ở GSI Darmstadt, với sự hỗ trợ về cơ sở hạ tầng và chuyên môn tại HIM và ĐH Johannes Gutenberg Mainz, hình thành một nơi chốn độc nhất vô nhị cho nhiều nghiên cứu.
Trong thập kỷ qua, khoa học đã đạt được nhiều kết quả đột phá, bao gồm những nghiên cứu chi tiết về việc chế tạo, vốn dẫn đến sự hình thành nguyên tố 117 và cuộc khám phá đồng vị có thời gian sống dài một cách tương đối lawrencium-266, khám phá cấu trúc vỏ hạt nhân của chúng bằng rất nhiều kỹ thuật thực nghiệm cũng như những đặc trưng hóa học của chúng, nơi flerovium (nguyên tố 114) là nguyên tố nặng nhất trong dữ liệu hóa học hiện tại.
Các phép tính toán về quá trình tạo ra nguyên tố trong vũ trụ, cụ thể trong sự sáp nhập của hai ngôi sao neutron, khi quan sát về mặt thực nghiệm lần đầu tiên vào năm 2017, đã hoàn thiện danh mục nghiên cứu. Trong tương lai, cuộc điều tra về các nguyên tố siêu nặng thậm chí có thể hiệu quả hơn là nhờ máy gia tốc tuyến tính mới HELIAC, với module đầu tiên tại HIM và sau đó thử nghiệm thành công ở Darmstadt, thậm chí là kỳ lạ hơn, và do đó không lâu nữa sẽ đạt được về mặt thực nghiệm việc tạo ra các hạt nhân còn tồn tại lâu hơn.
Một bài báo khác, “Five decades of GSI superheavy element discoveries and chemical investigation”, được xuất bản vào tháng 5/2022 trên Radiochimica Acta 2, cũng đem lại một cái nhìn tổng quan về các cuộc khám phá nguyên tố và những nghiên cứu hóa học đầu tiên ở GSI.
Bội Linh tổng hợp
———————————————
1.https://www.nature.com/articles/s42254-023-00668-y
2.https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ract-2022-0015/html?lang=en
