Săn lùng nguyên tố mới: Câu chuyện không có hồi kết

Từ những thầy tu bị đầu độc và bom hạt nhân đến “cuộc chiến transfermium1”, vẽ bản đồ thế giới nguyên tử chưa bao giờ là việc dễ dàng. Đằng sau bảng tuần hoàn là một lịch sử ẩn giấu về quá trình truy tìm nguyên tố mới.

Việc săn tìm nguyên tố mới đã dần trở thành tạo ra nguyên tố mới, và ý nghĩa của bảng tuần hoàn cũng thay đổi theo. Giờ đây, nó không chỉ mô tả những gì đang tồn tại, mà còn mô tả cả những gì có thể. Minh họa của Ilya Milstein.

Câu chuyện đằng sau ô phốt-pho trên bảng tuần hoàn

Câu chuyện về nguyên tố thứ 15 bắt đầu ở Hamburg, năm 1669. Hennig Brandt², một thợ thủy tinh và nhà giả kim thất bại, trong lúc cố gắng tạo ra hòn đá của triết gia, chất trong truyền thuyết có thể biến kim loại thành vàng, đã chưng cất được một chất mới. Nó sủi bọt và có màu vàng hoặc đen tùy theo cách điều chế. Ông ta gọi nó là “lửa lạnh”, vì nó phát sáng trong bóng tối. Nó được nhiều người quan tâm xem xét, một số cảm thấy mình được chứng kiến một phép màu. Một người viết: “Nếu ai đó xoa nó lên toàn thân, anh ta sẽ phát sáng như Moses khi từ trên núi Sinai đi xuống³.” Robert Boyle, cha đẻ của hóa học hiện đại, để một ít chất đó trên tay và nhận xét rằng nó “mềm mại và vô hại”. Một nhà khoa học khác thấy trong nó có những hạt nhấp nháy “như những ngôi sao nhỏ”.

Ban đầu, không ai biết thần Prometheus của Hamburg đã đánh cắp được thứ gì. Sau khi một người thân tín của Brandt đưa ra một gợi ý, rằng nguyên liệu chính của nó là “một cái gì đó từ cơ thể người”, Boyle luận ra rằng ông và những người khác cầm một chất được chế biến từ nước tiểu. Trong cuốn sách về lịch sử các nguyên tố “Antimony, Gold, and Jupiter’s Wolf⁴” (NXB Oxford), nhà hóa học Peter Wothers ở Đại học Cambridge giải thích công thức của Brandt: cần đến một tấn nước tiểu. Tấn nước tiểu đó được để trong các xô rất lâu, đến nỗi giòi bọ sinh sôi trong đó, rồi được chưng cất trong lò nóng, và kết quả là 120 gam “lửa lạnh”. Brandt tin rằng nếu có đủ chất này, ông ta sẽ tạo được hòn đá của triết gia. Năm 1678, Công tước xứ Saxony yêu cầu Brandt thu lấy 100 tấn nước tiểu từ một doanh trại để tạo ra chất mà Boyle và những người khác sẽ gọi là phosphorus, tiếng Latin⁵ nghĩa là “người/vật mang ánh sáng”.

Thứ phốt-pho xốp bọt của Brandt là một của hiếm. Nhưng ở nước Anh, Boyle bắt đầu sản xuất được một dạng phốt-pho rắn hơn, tinh khiết hơn, và rất dễ cháy. Một nhà khoa học khác khi nghiên cứu phốt-pho của Boyle đã nhận thấy “nếu đem bôi lên chỗ kín, nó sẽ gây sưng tấy và bỏng rát một lúc khá lâu.” Về phần mình, Boyle tìm cách dùng nó làm mồi thuốc súng. (Trợ lý của ông, nhà bào chế Ambrose Godfrey, trong khi nghiên cứu về chất này đã làm cho tóc mình bắt lửa và đốt thủng “hai hay ba lỗ lớn trên ống quần”.) Việc kinh doanh phốt-pho phát triển trong suốt thế kỷ 18, một phần vì các thầy thuốc ngộ nhận rằng nó có giá trị y học. Trong thế kỷ 19, các nhà sản xuất diêm phát hiện ra rằng những que gỗ có một đầu phủ phốt-pho ít nguy hiểm hơn phiên bản phủ lưu huỳnh trước đó; không lâu sau đó, phát minh ra việc dùng lò điện để chiết xuất phốt-pho từ quặng ở quy mô lớn đã dẫn tới việc sản xuất thuốc nổ. Trong Chiến tranh Thế giới II, trong “một bước ngoặt bi thảm của số phận” – từ của Wothers, vũ khí phốt-pho đã được sử dụng khi quân Đồng minh ném bom hủy diệt thành phố Hamburg quê nhà của Brandt.

Wothers tìm ra rất nhiều bước ngoặt như thế trong những câu chuyện ẩn sau từng ô của bảng tuần hoàn. Antimon (nguyên tố số 51) là một khoáng chất sáng bóng; bốn nghìn năm trước, người ta đã đẽo nó làm bình, và nó xuất hiện trong những lối trang điểm được tả trong kinh Cựu Ước. Theo Pierre Pomet, nhà bào chế và nhà giả kim thế kỷ 17, cái tên antimon bắt nguồn từ chuyện một thầy tu người Đức cho nó vào đồ ăn của các đồng môn của mình (Wothers cho rằng câu chuyện này không xác thực). Vị thầy tu đó đã cho lợn ăn antimon, ban đầu chúng nôn ra nhưng sau đó trở nên béo khỏe. Rủi thay, tất cả các thầy tu ăn phải nó đều chết. “Câu chuyện này là lý do vì sao khoáng chất này được gọi là antimon,” Pomet viết, “vì nó chết chóc đối với các thầy tu⁶.” (Trong một chuyện ít chết chóc hơn, một bác sỹ thế kỷ 19 và những người bạn của mình mỗi người đã nuốt 15 mi-li-gam telu (nguyên tố số 52) và thở ra mùi tỏi suốt tám tháng.)

Tên gọi của các nguyên tố từ lâu đã là nguồn gốc của những tranh cãi và sự khó hiểu. Wothers chỉ ra rằng trong tiếng Hy Lạp, hydrogen nghĩa là “cái tạo thành nước”, còn oxygen là “cái tạo thành a-xít”; nhưng thực tế hi-đrô mới kết hợp với các nguyên tố khác tạo thành a-xít, còn ô-xy lại kết hợp với hi-đrô tạo thành nước. “Aluminium [nhôm],” Charles Dickens viết năm 1856, là “một phần hóa thạch của tiếng Latin, đối với quần chúng thì nó cũng vừa miệng như một món sườn thằn lằn cá cổ đại hay món tủy chim khổng lồ.” (Gốc Latin của nó có nghĩa là “muối đắng”, chỉ loại đất khoáng chứa thứ kim loại từng rất quý này; những đề nghị “bạc đất” và “vàng đất” của Dicken cũng chẳng hơn gì.) Nhà hóa học người Pháp Marguerite Perey, một học trò của Marie Curie, khám phá ra một nguyên tố mới vào năm 1939. Bà muốn đặt tên nó là “catium” vì nó bị hút mạnh về cực âm [cathode]; con gái của Marie Curie, Irène Joliot-Curie, lo ngại rằng người nói tiếng Anh sẽ gắn nguyên tố mới với mèo. Perey, một người Pháp, quyết định đặt tên nó là francium.

Cuộc tranh luận về Mendeleev

Nhiều nhà sử học lấy dấu mốc ra đời của bảng tuần hoàn là việc xuất bản cuốn sách của nhà hóa học người Nga Dmitri I. Mendeleev, vào 150 năm trước. Nhưng Eric Scerri, nhà triết học hóa học của Đại học California, Los Angeles (UCLA) – ông nghiên cứu lịch sử của những câu hỏi như “Thế nào là một nguyên tố hóa học?” –  và là tác giả cuốn “The Periodic Table: Its Story and Its Significance⁷” (NXB Oxford), cực lực phản đối quan điểm rằng Mendeleev đã cách mạng hóa khoa học bằng cách đưa tính tuần hoàn của hóa học ra ánh sáng. Scerri lập luận rằng tính tuần hoàn – ý tưởng rằng các nguyên tử lớn và nhỏ hòa hợp với nhau theo quy luật, như các phím đàn – không phải từ trên trời rơi xuống. Nó được chú ý đến nhờ công của nhiều nhà khoa học; trong quá trình đó, những ý tưởng vốn bị coi thường từ lâu, chẳng hạn thuật giả kim, hóa ra lại có một số mặt đúng, và những ý tưởng về cơ bản là sai, chẳng hạn tính không thể phân chia của các nguyên tố, lại trở thành những cách suy nghĩ hiệu quả. Một số nhà hóa học thế kỷ 18 và thế kỷ 19, những người bắt đầu nhận thấy các quy luật ở một số nguyên tố hóa học, thực ra đang đi lại con đường của những nhà nguyên tử luận thời Hy Lạp cổ đại như Democritus và Leucippus, những người ở thế kỷ 5 trước Công nguyên đã lập luận rằng mọi thứ ta có thể nhìn thấy và chạm vào đều được làm từ những hạt vô hình không thể bị chia nhỏ. Các nhà nguyên tử luận tin rằng những hạt đó có vô số hình dạng và kích thước khác nhau, và các tính chất quan sát được của chúng đến từ những cấu trúc được tạo thành khi chúng gắn lại với nhau.

Thời Trung cổ, thuyết nguyên tử hầu như bị lấn át bởi thuyết của Aristotle rằng vạn vật trong vũ trụ được tạo thành từ bốn nguyên tố lửa, đất, nước và không khí. Nhưng thuyết nguyên tử chưa bao giờ hoàn toàn biến mất. Các học giả thời Phục hưng tin vào nhiều mô hình nguyên tố. Trong cuốn sách của Wothers có hình chụp lại một số sơ đồ có trước khi bảng tuần hoàn ra đời: một bản khắc thế kỷ 17 về “bảy kim loại” mô tả bảy vị thần La Mã cầm các biểu tượng hóa học cổ (các vị thần nhắc nhở người xem rằng sắt là từ sao Hỏa và đồng là từ sao Kim⁸); một hình khác có bảy kim loại và bốn nguyên tố của Aristotle xếp thành hình tam giác. Bao quanh sơ đồ là một câu tiếng Latin: “Dù vô hình, ta là cha và mẹ của mọi thứ hữu hình trên thế gian”.

Tất nhiên, chẳng cần phải là học giả cũng có thể nghĩ rằng thế giới được tạo nên bởi nhiều hơn bốn nguyên tố. Thợ mỏ thế kỷ 17, Wothers viết, phân biệt các loại khí khác nhau: họ gọi loại khí nhẹ ở phía trên nóc hang động là “khí lửa” vì nó rất dễ bùng cháy, và những đám mây nặng ở gần mặt đất là “khí ngạt” vì nó gây khó thở. Trong thế kỷ 18, người dân địa phương gọi một cái hang ở gần Naples là Grotta del Cane⁹, vì những con chó đi lạc vào hang không thể ngóc đầu cao hơn lớp khí thoát ra từ mặt đất và bị chết ngạt; nếu được đưa ra ngoài trời, chúng có thể sống lại.

Tranh vẽ Hennig Brandt tìm nguyên tố phốt-pho. Joseph Wright vẽ năm 1771/ Derby Museum and Art Gallery.

Những quan sát như vậy ngày càng có nhiều, và niềm tin rằng có nhiều nguyên tố khác nhau cũng ngày càng lớn. Cuối thế kỷ 18, các nhà khoa học trong khi kết hợp các chất bắt đầu nhận thấy một số chất luôn phản ứng với nhau theo cùng tỷ lệ, cho thấy chúng có thể có khối lượng cơ bản khác nhau. (Dường như để trung hòa cùng một lượng a-xít sulfuric thì cần nhiều ammoniac hơn ô-xít magie.) Năm 1803, nhà khoa học người Anh John Dalton đề xuất rằng các nguyên tử đã tham gia vào các phản ứng đó; ông kêu gọi các đồng nghiệp giúp mình xác định khối lượng của những thứ vô hình này. Một “cơn cuồng tìm kiếm các hằng số”, theo cách nói của Scerri, bắt đầu. Các nhà hóa học chẳng mấy chốc đã nhận thấy các quy luật khi họ nhóm các nguyên tố thành các bộ ba theo khối lượng nguyên tử. (Thí dụ liti, natri và kali đều cháy trong nước; khối lượng nguyên tử của natri bằng trung bình cộng khối lượng nguyên tử của liti và kali.) Những thí nghiệm như vậy làm hé lộ một thứ tự trong thế giới của các nguyên tố. Nhưng đó là một công việc khó nhọc. Năm 1836, nhà hóa học Jean Baptiste André Dumas, học trò của Dalton, tuyệt vọng đầu hàng. “Chuyến dấn thân đầy tham vọng của chúng ta vào vùng đất nguyên tử đã để lại gì?” ông viết. “Nếu có quyền, tôi sẽ xóa từ ‘nguyên tử’ khỏi khoa học.”

Những nhà hóa học khác vẫn đi tiếp. Khối lượng nguyên tử càng được tính chính xác, các quy luật càng hiện rõ. Năm 1864, nhà hóa học người Đức Julius Lothar Meyer công bố một bảng 28 nguyên tố. Các nguyên tố của Meyer được sắp xếp chủ yếu theo khối lượng tăng dần và được xếp thẳng hàng theo các tính chất hóa học chung lặp lại theo các khoảng đều nhau. Năm năm sau, Mendeleev công bố bảng tuần hoàn của mình, và nó dần phát triển thành phiên bản chúng ta sử dụng ngày nay. Cũng như Meyer, Mendeleev xếp các nguyên tố thành bảng, mỗi hàng chứa các nguyên tố có tính chất tương tự nhau. Nhưng ông còn thêm vào bảng của mình nhiều khoảng trống và dấu hỏi, và đưa ra những tiên đoán cụ thể về các nguyên tố mới. Mendeleev đã dự báo chính xác sự tồn tại của những nguyên tố khi đó chưa được khám phá, chẳng hạn gali và germani, cũng như tương tác của chúng với các nguyên tố khác.

Mendeleev cũng dự đoán sai nhiều. Nhưng như Scerri giải thích, nhà hóa học người Nga là một bậc thầy kể chuyện và hiệu quả hơn Meyer và những đối thủ khác trong việc truyền bá hệ thống tuần hoàn. Mendeleev không từ một cơ hội nào để tranh luận, nhiều khi một cách khinh suất, rằng đặc tính của các nguyên tố lặp lại một cách có trật tự và có thể dự đoán. Ông vừa không mệt mỏi vừa kiên định, chí ít là cho đến khi xu hướng quan điểm khoa học chống lại ông. Cuối những năm 1850, các nhà khoa học phát hiện ra rằng ánh sáng của một chất khi bị đốt cháy có thể cho biết các nguyên tố cấu thành chất đó; năm 1868, nhà thiên văn học người Pháp Jules Janssen sử dụng kỹ thuật đó trong một lần nhật thực toàn phần để khám phá ra heli (nguyên tố số 2) trên bề mặt Mặt trời. Ban đầu Mendeleev cho rằng heli không thể tồn tại vì không có chỗ cho nó trong bảng tuần hoàn. Nhưng đầu thế kỷ 20, sau khi các khí hiếm khác được khám phá và được chứng minh là có những tính chất giống với heli, các nhà khoa học khác tạo thêm một cột riêng cho chúng, và Mendeleev đồng ý. (Đó là cột bên phải, với heli ở trên cùng.)

Khả năng thích ứng của bảng tuần hoàn giúp nó trường tồn. Trong thế kỷ 20, các nhà khoa học nhận ra rằng tính tuần hoàn không được quyết định bởi khối lượng nguyên tử, mà bởi số proton trong hạt nhân của nguyên tử. Nhưng khám phá này không phá vỡ bảng tuần hoàn; sau một số sắp xếp lại, nó trở nên chính xác hơn. Trong một thế kỷ rưỡi vừa qua, hiểu biết của chúng ta về vũ trụ đã thay đổi mạnh mẽ. Nhưng dạng bảng tuần hoàn vẫn giữ được dạng cơ sở của nó. □ (Còn tiếp)

Nguyễn Hoàng Thạch dịch

Nguồn: https://www.newyorker.com/science/elements/the-histories-hidden-in-the-periodic-table

—-

^1. “Transfermium wars”, tranh cãi về việc đặt tên cho các nguyên tố đứng sau fermium (tiền tố “trans-” nghĩa là vượt qua) trong bảng tuần hoàn, bắt đầu trong Chiến tranh Lạnh và được giải quyết vào năm 1997 – ND.

^2. Nhiều tài liệu viết là Brand – ND.

^3. Trong Kinh Thánh, núi Sinai là nơi nhà tiên tri Moses gặp Chúa Trời – ND.

^4. Tạm dịch “Antimon, Vàng và Con sói của Jupiter” – ND.

^5. Ở đây tác giả có sự nhầm lẫn: phosphorus là từ gốc Hy Lạp chứ không phải Latin – ND.

^6. Theo thuyết này, từ [tiếng Pháp] antimoine được ghép từ “anti”, nghĩa là chống lại, và “moine”, nghĩa là thầy tu – ND.

^7. Tạm dịch: “Bảng tuần hoàn: Lịch sử và Ý nghĩa” – ND.

^8. Biểu tượng cổ của hai kim loại này là hai biểu tượng quen thuộc của các vị thần Mars và Venus  – ND.

^9. Nghĩa là “hang chó” – ND.