Săn lùng nguyên tố mới: Câu chuyện không có hồi kết (kỳ 2)
Trong kỳ 1, chúng ta đã cùng khám phá những bước ngoặt trong những câu chuyện ẩn sau từng ô của bảng tuần hoàn và dừng lại ở nhận định “khả năng thích ứng của bảng tuần hoàn giúp nó trường tồn”...
Nhà hóa học Glenn Seaborg, người đã tham gia khám phá 10 nguyên tố trong phòng thí nghiệm trong cuộc chiến “Transfermium” để tìm kiếm các nguyên tố mới. Ảnh: Seaborg đứng trước một bảng đồng vị vào năm 1946. Nguồn: Argonne National Laboratory, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives.
Kỷ nguyên hiện đại của săn lùng nguyên tố
…nhưng như vậy không có nghĩa là không ai thử thay đổi nó: theo 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)] thì từ những năm 1860, đã có hơn một nghìn kiểu bảng tuần hoàn khác được đề xuất, thường với mục đích thể hiện một quy luật tuần hoàn nào đó không có trong bảng ban đầu. Trong số đó có cây Giáng sinh ba chiều của Fernando Dufour, năm 1990; hình xoắn ốc trông như đầu con vịt của Theodor Benfey, năm 1964; và khối hình bánh pretzel của Willam Crookes, thế kỷ 19, hiện được trưng bày ở Bảo tàng Khoa học, London. Mô hình thứ ba đặt urani ở dưới cùng, vì nó dựa vào giả định không có nguyên tử nào lớn hơn. Nhưng giới hạn trên của các nguyên tố ngày càng được nâng lên. Những câu chuyện khám phá của khoảng ba chục nguyên tố trong thế kỷ 20 – một số trong đó có lẽ nằm ngoài tưởng tượng của Mendeleev và Meyer – được gom lại trong cuốn sách “Superheavy: Making and Breaking the Periodic Table1” (NXB Bloomsbury) của nhà báo khoa học Kit Chapman.
Những nhà săn lùng nguyên tố thời xưa dùng lửa để chưng cất nguyên tố, hoặc trộn quặng với a-xít đun sôi. Trong thế kỷ 20, những kỹ thuật đó nhường chỗ cho công nghệ mới sử dụng các chùm tia để phá vỡ nguyên tử. Các nhà khoa học còn nhận thấy nguyên tử có cấu trúc tạo bởi proton, neutron và electron, và những cấu trúc đó có thể bị phá vỡ hoặc lớn lên. Những tiến bộ này đã thay đổi một cách căn bản mối quan hệ giữa chúng ta và vật chất. Thời xưa, tìm ra một nguyên tố mới cũng giống như “tìm thấy bác sỹ Livingstone2”: ta biết ông ấy ở đâu đó ở Đông Phi. Thời nay, chỉ có ranh giới mờ nhạt giữa tìm thấy và tạo ra. Những nguyên tố được tạo ra trong phòng thí nghiệm có thể không tồn tại ở nơi nào khác.
Kỷ nguyên hiện đại của săn lùng nguyên tố bắt đầu vào thập kỷ 1930, khi nhà vật lý học Ernest Lawrence lãnh đạo các nhà khoa học ở Đại học California, Berkeley, phát triển một loạt máy cyclotron, những cỗ máy dùng điện để bắn proton vào những tấm kẽm đặt trong buồng kim loại. Các nhà khoa học nhận thấy một số hạt nhân tích điện sẽ bám vào các nguyên tử ở mục tiêu và tạo thành những nguyên tố nặng hơn. Đó là những hạt vô cùng nhỏ và xác suất va chạm là không đáng kể. “Nó giống như bắn chim trong đêm tối ở một vùng đất chỉ có vài con chim,” Albert Einstein nói, năm 1934. Thế nhưng các máy cyclotron của Lawrence vẫn cho phép bắn hàng nghìn tỷ lượt, và năm 1937 một trong số chúng đã tạo ra technetium (nguyên tố số 43), một nguyên tử được Mendeleev dự đoán. Giống như mọi nguyên tố được sinh ra trong máy cyclotron, technetium là nguyên tố phóng xạ. Lawrence nhận giải Nobel năm 1939 cho phát minh của mình; cùng năm đó, Einstein viết thư Tổng thống Roosevelt vì làm vũ khí hạt nhân3.
Albert Ghiorso đặt một mẫu vào buồng lưới alpha. Máy dò này được sử dụng để khám phá các yếu tố 97, 98, 99, 100 và 101. Ảnh: Lawrence Berkeley National Laboratory
Những quả bom như vậy phát nổ lại lấp đầy thêm bảng tuần hoàn. Từ năm 1952, Mỹ thử bom nhiệt hạch xung quanh quần đảo Marshall. Các nhà khoa học cho máy bay chiến đấu F-84 bay vào các khu vực vụ nổ. (Theo Chapman, những quả cầu lửa đủ nóng để “mô phỏng sức nóng mãnh liệt của Mặt trời”.) Đầu cánh của những chiếc F-84 được gắn những bộ lọc có thể thu lấy những nguyên tử được vụ nổ tạo ra. Bay xuyên qua cuống của những đám mây hình nấm, cố gắng giữ cho máy bay khỏi rung lắc dữ dội, các phi công thu lượm “những nguyên tố thường chỉ có trong những vụ va chạm của sao neutron, Chapman viết. (Một phi công, Jimmy Robinson, phát hiện động cơ ngừng hoạt động sau khi ra khỏi cơn bão bụi hạt nhân; ông thiệt mạng khi cố gắng hạ cánh xuống nước.) Sau đó, trong một phòng thí nghiệm ở Berkeley, nhà vật lý học Glenn Seaborg và đồng nghiệp tìm được ở một trong các bộ lọc gắn trên máy bay 200 nguyên tử của nguyên tố số 99. Khám phá này chỉ được giải mật sau nhiều năm tranh cãi, nhưng các nhà khoa học Berkeley đã công khai mô tả nguyên tố đó vào năm 1954. Họ uống “cả đống cocktail” và sẽ đặt tên nguyên tố mới là einsteinium, theo tên người đề xuất làm quả bom4.
Cuộc đua giữa các phòng thí nghiệm
Ngay cả trong điều kiện phòng thí nghiệm, việc săn lùng nguyên tố mới cũng có nhiều nguy cơ. Năm 1959, Al Ghiorso, một nhà vật lý học ở Berkeley với thần kinh thép, người dám chơi tennis với những quả bóng chứa chất phóng xạ, tìm kiếm nguyên tố số 102. Một hôm, khoảng giờ ăn trưa, ông nạp quá nhiều heli vào một máy gia tốc để bắn phá một tấm lọc bằng curi. Heli làm tấm lọc phồng lên rồi nổ như “một quả bóng bay chứa đầy những mẩu giấy bóng màu phóng xạ”, Chapman viết. Ghiorso phải cúi xuống để tránh đám mây, và cả tòa nhà phải sơ tán. Thế mà Ghiorso có thể không phải người đầu tiên tìm ra nguyên tố đó. Một nhóm nghiên cứu Thụy Điển, với thiết bị sơ khai hơn, tuyên bố đã tìm ra nó trước tiên và muốn đặt tên nó là nobelium, theo tên người phát minh ra thuốc nổ. Trong khi đó, các nhà khoa học Xô viết lại nghi ngờ các kết quả của cả Stockholm lẫn Berkeley. Việc đặt tên hai nguyên tố số 100 và 101, fermium và mendelevium, không gây nhiều lộn xộn, nhưng sự bình yên đó chẳng mấy chốc bị phá vỡ. Trong giai đoạn mà ngày nay được gọi là “cuộc chiến transfermium”, chu kỳ phát hiện rồi nghi ngờ trở thành nét chủ đạo của nghiên cứu về nguyên tố trong Chiến tranh Lạnh. (Cuối cùng, Liên đoàn Quốc tế về Hóa học lý thuyết và Hóa học ứng dụng – IUPAC – công nhận Liên Xô tìm ra nguyên tố trước tiên, nhưng giữ lại tên “nobelium”.) Đến năm 1970, có ít nhất hai phiên bản của bản tuần hoàn. Người Mỹ đặt tên nguyên tố số 104 theo Ernest Rutherford, cha đẻ của khoa học hạt nhân. Người Liên Xô đặt tên nó theo Igor Kurchatov, cha đẻ của vũ khí hạt nhân Liên Xô.
Một điều buồn cười nảy sinh trong cuộc chiến transfermium: các nhà khoa học nguyên tử đi tìm sự bất tử trong việc khám phá những nguyên tố chỉ tồn tại trong nháy mắt. Các hạt “siêu nặng” cần một năng lượng khổng lồ để được tạo ra, nhưng lại nhanh chóng phân rã thành những nguyên tố nhẹ hơn, thường chỉ trong vòng vài phần tỷ giây. Các nhà khoa học Mỹ và Liên Xô cố gắng tìm cách để giữ được chúng lâu hơn. Khi làm thí nghiệm với các nguyên tố được tạo ra trong Dự án Manhattan, các nhà khoa học nhận thấy có thể tạo ra hai phiên bản khác nhau, tức là hai đồng vị, của promethium, nguyên tố số 61 trong bảng tuần hoàn. Đồng vị có 88 neutron có chu kỳ bán rã tính bằng ngày, đồng vị còn lại, có 86 neutron, có chu kỳ bán rã vài năm. Rõ ràng có một con số “kỳ diệu”, là số neutron và proton thích hợp để giữ các hạt siêu tích điện của một nguyên tố siêu nặng lại với nhau. Các nhà khoa học bắt đầu tự hỏi liệu các nguyên tử lớn bền vững này có xuất hiện trong tự nhiên. Chapman đưa ra một bức vẽ “Bản đồ Đồng vị”, được một nhà khoa học vẽ năm 1978. Nó vẽ một bán đảo vươn ra “biển không ổn định”. Ở cuối bán đảo có một người nhỏ bé ngồi trong một cái ná khổng lồ; cái ná nhắm vào một “Hòn đảo Kỳ diệu”, và một con chim “độ nhớt hạt nhân” ghê gớm dang rộng đôi cánh canh giữ hòn đảo.
Tìm kiếm trong thế giới thật
Giấc mơ về một hòn đảo kỳ diệu của những nguyên tử ổn định ẩn ở những tầng sâu của bảng tuần hoàn đã kích hoạt cái mà Chapman gọi là “cơn sốt vàng” siêu nặng. Thay vì tạo ra các nguyên tố siêu nặng trong các máy gia tốc, các nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm chúng trong thế giới thật. Một thuyết cho rằng nếu các nguyên tố siêu nặng tồn tại, việc phát hiện chúng sẽ dễ dàng hơn ở cách xa bề mặt Trái đất, nơi có nhiều tia vũ trụ làm nhiễu các thiết bị đo. Theo một thuyết khác, các nguyên tố siêu nặng (hoặc dấu vết của chúng) có thể được tìm thấy trong vật chất tạo thành từ các nguyên tố ở cùng cột với nó. Các nhà khoa học đã xuống đáy biển sâu, đào trong các mỏ muối, xem xét quặng vàng, đưa khí cầu quan sát lên các tầng cao của khí quyển, đi bộ trong các đường hầm tàu điện ngầm, vớt muối biển Caspi, xem xét răng cá mập 65 triệu năm tuổi, và vào nhà thờ để phân tích các ô kính màu. (Họ hy vọng các đường viền bằng chì lưu lại dấu vết của các phản ứng hạt nhân xa xưa.) Nhưng sau hai thập kỷ tìm kiếm, họ không tìm thấy nguyên tố siêu nặng nào trong tự nhiên. Có vẻ là máy gia tốc, hoặc không gì cả.
Những năm gần đây, thay vì đi tìm một hòn đảo ổn định, các nhà khoa học gần như làm điều ngược lại: họ đã tạo ra các nguyên tố siêu nặng đe dọa phá vỡ bảng tuần hoàn. Năm 1998, các nhà khoa học Nga tạo ra một nguyên tố biến mất sau hơn một giây. Trưởng nhóm tìm kiếm của Nga, Yuri Oganessian, đặt tên nó theo người thầy quá cố Georgy Flerov của ông. Năm 2016, đến lượt Oganessian có nguyên tử mang tên mình. Nguyên tố của ông, hiện là nguyên tố cuối cùng trong bảng tuần hoàn, cũng là một điểm bất thường. Chapman tin rằng những nguyên tố như flerovium và oganesson (số 114 và 118) có thể báo hiệu “kết thúc của hóa học mà chúng ta từng biết”. Oganesson nằm ở đáy cột khí hiếm, nhưng một bài báo năm 2017 cho rằng đó có thể không phải chỗ của nó: vận tốc của các electron của nó đạt đến gần tốc độ ánh sáng, do đó cách hoạt động của nó có thể không giống với các khí hiếm. Thay vào đó, oganesson và các nguyên tố xung quanh nó có thể tuân theo các quy luật tương đối, không gian và thời gian bên trong chúng có thể bị uốn cong và các tính chất của chúng cũng có thể thay đổi theo.
Scerri không cho rằng bảng tuần hoàn bị đe dọa nghiêm trọng bởi các nguyên tố như oganesson; ông chỉ ra rằng một số electron trong nguyên tử vàng cũng có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Có thể đến cả thuyết tương đối cũng phù hợp với một quy luật nào đó – “một bằng chứng nữa”, ông viết, “về tính cơ bản chứa trong định luật tuần hoàn.” (Copernicium, nguyên tố số 112, nằm dưới vàng một hàng, cũng có vẻ mang các hiệu ứng tương đối.) Nhưng Scerri lập luận rằng những nguyên tố như vậy làm bảng tuần hoàn mất ổn định theo một cách khác. Ban đầu, tấm bảng được hình dung là sẽ mô tả các khối cơ sở của tự nhiên. Nhưng khi săn lùng nguyên tố trở thành tạo ra nguyên tố, ý nghĩa của bảng cũng thay đổi. Giờ đây nó mô tả những gì có thể, bên cạnh những gì tồn tại.
Hai nhà vật lý Nga Georgy Flyorov và học trò Yuri Oganessian là cha đẻ của các nguyên tố siêu nặng là fleraium và oganesson. Ảnh: Credit: ru.armeniasputnik.am.
Kể cả có một hòn đảo ổn định của nguyên tử, những nguyên tố siêu nặng sống trên đó rất có thể sẽ vô cùng hiếm. Nguyên tử hi-đrô cháy hết của một ngôi sao chỉ có thể trở thành nặng như sắt (nguyên tố số 26, trong số 172 hoặc 173 nguyên tố mà một số nhà khoa học tiên đoán sự tồn tại). Các nhà vật lý thiên văn tin rằng các nguyên tử lớn hơn được tạo thành khi các ngôi sao sụp đổ có thể, sau khi đi rất xa trong không gian, hạ cánh vào cái lò của một Mặt trời khác và tiếp tục lớn lên. Nhưng Trái đất đã bốn tỷ rưỡi tuổi – già hơn nhiều so với chu kỳ bán rã của nguyên tố siêu nặng ổn định nhất được dự đoán – và rất ít dấu vết của các hạt đó được tìm thấy ở đây. (Vì các nguyên tố siêu nặng thường dễ phân rã, các nhà săn lùng nguyên tố thường kiểm tra các thiên thạch vì chúng có thể có nguồn gốc từ những vụ nổ mới hơn.) Trong vài năm tới, các nhà khoa học nguyên tử có thể dễ dàng tạo ra các nguyên tố số 119 và 120 bằng máy gia tốc. Các nguyên tố đó có thể sẽ không bao giờ được tìm thấy ở ngoài phòng thí nghệm.
Cơn sốt vẫn còn âm ỉ
Cơn sốt nguyên tố có vẻ đã nguội đi ở Mỹ, nhưng nó tiếp tục âm ỉ ở những nơi khác. Nguyên tố đầu tiên được người Nhật tìm ra là nihonium, số 113, năm 2004. Chapman kể rằng trẻ em Nhật đọc những truyện tranh kịch tính hóa công trình của Kosuke Morita, nhà vật lý hạt nhân hàng đầu trong nước. Năm 2016, khi nihonium chính thức được đưa vào bảng tuần hoàn, Thái tử5 Naruhito vô cùng xúc động: tại một buổi lễ đặc biệt, ông nhớ lại việc chép tay bảng tuần hoàn khi còn bé. Trong khi đó, ở Geneva, các nhà khoa học ở Trung tâm châu Âu về Nghiên cứu hạt nhân (CERN) đã mở rộng cuộc tìm kiếm tới những vùng khác của vũ trụ. “Một số người tin rằng có những dạng vật chất tối khác nhau,” Ying Wun Yvonne Ng, một nhà nghiên cứu vật lý hạt, nói với tác giả. “Ai mà biết được. Nó có thể lấp đầy một bảng tuần hoàn lớn hơn nhiều.”
Technetium, nguyên tố nhân tạo đầu tiên, hiện vẫn được sử dụng trong điều trị ung thư ở khắp thế giới. Trên lý thuyết, các nguyên tố mới hơn cũng có thể có ích giống như thế: theo Chapman, các nhà khoa học phỏng đoán rằng một lượng flerovium bằng hạt đậu “có thể cấp điện cho một thành phố”, nếu nó có thể trở nên ổn định. Tuy nhiên, sự thực là những người bị ám ảnh bởi việc săn lùng nguyên tố có những lý do trừu tượng vượt quá cả vinh quang khoa học. Trong cuốn “Superheavy”, Chapman đến phòng thí nghiệm ở Nga để gặp Oganessian và hỏi ông vì sao vẫn tiếp tục tìm kiếm, nhất là sau khi đã có một nguyên tố mang tên mình. “Nếu anh có một cỗ máy để làm việc này,” Oganessian trả lời, “thì tại sao không?” Anh xây dựng cỗ máy để tìm kiếm nguyên tử, anh tạo ra nguyên tử vì anh có cỗ máy. “Thứ này giống như cái bình của Pandora,” Oganessian nói, vỗ vỗ một bộ phận của một chiếc cyclotron đang được xây dựng. “Một cơ sở mới. Một máy gia tốc mới.” Tiếp tục tìm kiếm các nguyên tố, và câu chuyện không bao giờ kết thúc.□
Nguyễn Hoàng Thạch dịch
Nguồn: https://www.newyorker.com/science/elements/the-histories-hidden-in-the-periodic-table
——
Chú thích
1. Tạm dịch: “Siêu nặng: Sự hình thành và phá vỡ bảng tuần hoàn” – ND.
2. David Livingstone là bác sỹ, nhà truyền giáo, nhà thám hiểm nổi tiếng người Scotland ở thế kỷ 19 – ND.
3. Trong bản gốc trên, Newyortar viết Eistein “khuyên” làm vũ khí nhưng thực tế điều này không đúng. Bức thư (do Leó Szilárd soạn và Einstein ký) gửi tổng thống Roosevelt cảnh báo việc Đức có thể đang phát triển bom nguyên tử và khuyến nghị nước Mỹ có chương trình quốc gia về nghiên cứu năng lượng hạt nhân. Trong thư không có khuyến nghị về việc làm bom hạt nhân – ND.
4. Einstein là một người yêu hòa bình và không ủng hộ vũ khí hạt nhân. Xem thêm chú thích ở đoạn trước – ND.
5. Nhật hoàng kể từ tháng 5/2019 – ND.
