Kỳ tích kéo dài bảng tuần hoàn các nguyên tố (I)

Niềm tự hào lớn nhất của Trung tâm nghiên cứu khoa học GSI (Đức) là các nhà khoa học hạt nhân ở đây, trên máy gia tốc ion nặng UNILAC của mình, trong vòng 30 năm, đã tổng hợp thành công và được quốc tế công nhận là các nhà phát minh của sáu nguyên tố siêu nặng chưa hề biết trước đây.

Công việc tìm kiếm các nguyên tố mới là những công trình nghiên cứu khoa học đầy hấp dẫn, thu hút sự chú ý đặc biệt và rộng rãi của cộng đồng khoa học.

Con đường vào Trung tâm Khoa học GSI

Sự hấp dẫn của những ẩn số chưa khám phá


Tất cả các nguyên tố hóa học đều được tạo thành trong các vụ nổ hàng tỉ năm trước đây trong vũ trụ, và chính đó là những thành phần của thế giới vật chất tạo thành các vì sao, Trái đất và mọi vật xung quanh ta, kể cả cơ thể con người.

Tập hợp các số liệu nghiên cứu bao thế kỷ nay cho thấy: Hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn nguyên tố (THNT), từ nguyên tố nhẹ nhất như Hydro (ký hiệu H với nguyên tử số Z=1) đến nặng nhất như Uranium (ký hiệu U với Z=92), đều có mặt trên quả đất. Vì đó là những nguyên tố bền hoặc thời gian sống rất lớn, lớn hơn tuổi của Trái đất chúng ta.

Nhưng các nguyên tố nặng hơn Uranium, gọi là siêu Uranium, đặc biệt những nguyên tố siêu nặng nằm cách xa Uranium trong bảng THNT đều không bền và phân rã rất nhanh. Nếu nhiều triệu năm trước, chúng từng được sinh ra cùng với sự hình thành Trái đất, nhưng số lượng rất ít, hoặc tuổi đời quá “ngắn” so với tuổi Trái đất, cỡ trăm ngàn năm trở lại (!), thì giờ đây khó còn để lại dấu vết trên Trái đất.

Vì thế, hầu hết các nguyên tố siêu nặng đều là nhân tạo, được tạo thành trong phòng thí nghiệm với số lượng quá ít, có khi chỉ đếm được trên đầu ngón tay. Dù là nhân tạo, chúng sẽ trở thành những vật chứng quý hiếm giải đáp những ẩn số của bảng THNT, góp phần làm sáng tỏ những bí ẩn của sự hình thành thế giới tự nhiên, từ vật bé nhỏ như hạt cơ bản, hạt nhân đến to lớn như Trái đất, các vì sao…

Những cỗ máy của phát minh

Các nguyên tố siêu nặng được tạo thành bởi phản ứng hạt nhân sau đây: Bắn một hạt “đạn”; thường là hạt nhẹ như neutron (n), proton (p) hay các hạt nhân nhẹ khác vào hạt nhân “bia” đứng yên. Sản phẩm thu được từ phản ứng này là hạt nhân mới tổng hợp từ hai hạt - đạn và bia - nói trên.

Các nhà nghiên cứu có nhiệm vụ lựa chọn một tổ hợp tối ưu hạt đạn và hạt bia nhằm thu được những hạt nhân tổng hợp như mong muốn. Trong các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân siêu nặng, máy gia tốc làm tăng tốc giúp các viên đạn này đạt được tốc độ nhất định đủ vượt qua hàng rào cản (lực đẩy Coulomb tạo nên bởi các hạt p mang điện dương trong hai hạt nhân đạn - bia) để có thể bám chặt vào nhau tạo thành hạt nhân tổng hợp.

Trong trường hợp chế tạo các nguyên tố siêu nặng từ nguyên tố 100, Fermium với Z= 100 trở về trước, phản ứng hạt nhân xẩy ra bằng cách chùm hạt neutron (n) bắn vào bia Uranium và hiện tượng chiếm hạt neutron (n) xảy ra, kèm theo quá trình phân rã hạt beta (e) nhiều lần. Cỗ máy cái ở đây là nguồn phóng xạ neutron, lò phản ứng hạt nhân, thậm chí là vụ nổ của bom nguyên tử.

Đối với các nguyên tố sau Fermi (nguyên tố siêu Fermium), hạt đạn là các hạt tích điện, thường là các hạt ion (tức các nguyên tử đã được gỡ bỏ một số electron ở lớp vỏ bên ngoài) của các nguyên tố trung bình, nặng hoặc rất nặng được gia tốc trong trường điện từ của máy gia tốc lớn.

Như vậy, máy gia tốc lớn là cỗ máy cái quan trọng nhất không thể thiếu được và các nguyên tố siêu nặng chỉ có thể tạo thành và phát hiện trong các phòng thí nghiệm với những máy gia tốc và thiết bị phân tích tinh vi, nhưng tốn kém lớn đến mức chỉ một số ít nước phát triển mới có điều kiện đầu tư. Đi đầu trong lĩnh vực này là Phòng thí nghiệm quốc gia Berckley (Mỹ) với máy gia tốc Cyclotron HILAC (sau nâng cấp thành superHILAC), là Phòng phản ứng hạt nhân của Trung tâm khoa học Dupna (Liên Xô cũ) với các máy gia tốc U-300, U-400, là máy gia tốc ion nặng Cyclotron ở RIKEN (Nhật).

Cỗ máy cái của phát minh UNILAC

Riêng ở GSI, để tổng hợp các hạt nhân từ 107 đến 112, các nhà khoa học Đức đã sử dụng máy gia tốc UNILAC (Universal Linear Accelerator). Cỗ máy này có thể gia tốc các ion của các nguyên tố từ nhẹ nhất - Hydro (proton), đến nặng nhất - Uranium với năng lượng 11,4 MeV trên một đơn vị khối lượng u, tương đương vận tốc hạt đạn cỡ 10% vận tốc ánh sáng.

Máy gia tốc là cỗ máy chính, nhưng các thành công khoa học không thể đạt được nếu không có những thiết bị hiện đại và tinh tế khác với mục đích tạo nguồn ion (ion source), tách những sản phẩm tạo thành theo khối lượng và điện tích, tức là xác định danh tính chính xác các nguyên tố mới được tạo thành. Ở GSI đó là hệ tách chứa khí (gas-filled separators) và hệ lọc theo tốc độ SHIP (velocity filter).

(Còn nữa)