Cuộc tìm kiếm các nguyên tố mới sẽ trở nên rất khó khăn từ bây giờ

Việc khám phá ra một nguyên tố mới và đặt nó vào bảng tuần hoàn hóa học không còn dễ dàng như ngày xưa nữa.

Quay trở lại thế kỷ 18, Antoine Lavoisier chỉ đơn giản đốt oxit thủy ngân để có thể trở thành người đầu tiên tìm ra oxy. Ngày nay, phải cần đến hơn 100 nhà khoa học đến từ 4 nhóm nghiên cứu, của 3 quốc gia làm việc với những máy gia tốc hạt khổng lồ, liên tục bắn phá các hạt nhân nguyên tử trong nhiều năm để tìm ra 4 nguyên tố mới.

Nếu bạn muốn hình dung về quá trình này, nó giống như chơi một trò sổ xố thực sự. Một máy gia tốc hạt sẽ khiến hai vật chất va chạm, đập vỡ hạt nhân của chúng. Cơ hội của bạn trong trò chơi này là một phần nghìn tỷ, khi bằng cách ngẫu nhiên nào đó hai phần của các hạt nhân bị vỡ có thể ghép lại thành một. Chỉ cần thời gian sống của hạt vật chất mới này là một phần nghìn của 1 giây, chúc mừng bạn đã tìm ra nguyên tố mới.

Việc khám phá ra một nguyên tố mới ngày càng trở nên khó khăn.

Đó chính là cách mà các nhà khoa học tìm ra 4 nguyến tố mới lấp đầy dòng thứ 7 của bảng tuần hoàn. Các nguyên tố chưa được đặt tên được xếp vào dạng siêu nặng, hạt nhân của chúng dày đặc đến nỗi không thể tồn tại trong tự nhiên.

Sẽ có tới hơn 100 proton chen chúc trong hạt nhân của mỗi nguyên tố. Bởi vì đều mang điện tích dương, chúng sẽ đẩy lẫn nhau khiến cấu trúc này không thể bền vững. Chỉ ở những nguyên tố nhẹ hơn, lực hạt nhân yếu tác dụng bởi các hạt neutron mới có thể ổn định lại lực của các proton và khiến chúng tồn tại dễ dàng.

"Một khi bạn nhận được các hạt nhân lớn hơn, mật độ các hạt sẽ khiến chúng không thể giữ bản thân lại với nhau", Dawn Shaughnessy, người đứng đầu dự án nguyên tố nặng tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore Hoa Kỳ cho biết. Bà là người ghi tên mình trong rất nhiều khám phá nguyên tố siêu nặng và là đồng phát hiện 4 nguyên tố mới.

Dawn Shaughnessy làm việc trong một thí nghiệm.

Sự tồn tại của các nguyên tố siêu nặng là siêu hiếm, ngay cả khi bạn đặt chúng vào các xác suất lớn của vũ trụ. "Có thể một siêu tân tinh đã nắm giữ một nguyên tố siêu nặng trong một phần nghìn giây hoặc lâu hơn", Shaughnessy nói. Nhưng để tìm ta chúng ngay trên Trái Đất, vé sổ xố dễ trúng nhất chỉ có thể mua được ở những máy gia tốc hạt, nơi các nhà khoa học sẽ xây dựng những nguyên tố này bằng cách cộng hai hạt nhân của nguyên tố khác lại với nhau.

Ví dụ, để tạo ra nguyên tố thứ 117, các đồng nghiệp của Shaughnessy đã phải đập vỡ những hạt nhân Canxi (số hiệu nguyên tử 20) và Berkelenium (số hiệu nguyên tử 97). "Nếu cộng hai con số lại bạn sẽ được 117", bà nói. "Điều chúng tôi làm thực sự chỉ là nung chảy tất cả các proton để gộp lại với nhau".

Nói sẽ rất đơn giản nhưng quá trình này phải thực sự khéo léo. Bạn sẽ làm việc với một cỗ máy lớn bằng vài tòa nhà chỉ để điều khiển các hạt có kích thước 10-13mm. Các nguyên tử phải được đẩy ở một lực đủ để phá vỡ sự ổn định của các proton. Mặt khác, chúng cũng không thể quá mạnh, nếu không sẽ khiến các hạt nhân tự triệt tiêu lẫn nhau.

Một cỗ máy trong Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore.

"Có một điểm nhạy cảm để hai hạt nhân va vào nhau và hợp nhất", giáo sư Paul Karol, chủ tịch Liên hiệp Hóa học cơ bản và ứng dụng (IUPAC) cho biết. Để có thể biết được điểm này ở đâu, các nhà khoa học phải tốn nhiều năm cho các thí nghiệm phức tạp, sử dụng cả lý thuyết, phương trình tính toán và máy tính để phỏng đoán. Nhiều khi, họ cần tới cả sự may mắn.

Các nguyên tử hạt nhân được gia tốc với các cỗ máy khổng lồ cho tới khi một số va chạm với nhau. Điều này mất vài tháng, thậm chí nhiều năm để một ngày đẹp trời nào đó, các máy tính ghi lại được những dữ liệu đặc biệt. Khi một nguyên tố siêu nặng được tìm ra, họ phải nắm lấy cơ hội trong một phần ngàn giây nó tồn tại để đánh giá các tính chất và so sánh điều đó với các lý thuyết dự đoán.

Hình ảnh mô phỏng nguyên tố ở vị trí 117 mới được ghi nhận.

Trở lại với 4 nguyên tố đã lấp đầy hàng thứ 7 trong bảng tuần hoàn, chúng sẽ làm cho cơ hội để các nhóm nghiên cứu tiếp theo phát hiện ra nguyên tố mới giảm xuống cực kỳ thấp. Hãy nhớ lại câu chuyện Antoine Lavoisier đốt oxit thủy ngân và chúng ta cần 100 nhà khoa học làm việc với các máy gia tốc hạt để có một hình dung tương tự.

Nếu một nhà khoa học nào đó vẫn theo đuổi công việc hoàn thiện bảng tuần hoàn hóa học, họ phải bắt đầu với nó ở hàng thứ 8.

Đây sẽ là những nguyên tố có khối lượng cực kì lớn. Điều này đồng nghĩa với việc các electron xung quanh nó được truyền năng lượng đủ để bay tiệm cận với vận tốc ánh sáng.

Hãy nhớ lại những lý thuyết của Einstein, khi một đối tượng tiếp cận với vận tốc ánh sáng, khối lượng và năng lượng của chúng sẽ bị ảnh hưởng tương ứng. Bây giờ, bạn sẽ phải giải quyết các vấn đề thuộc về thế giới lượng tử. "Nó sẽ chuyển những thứ vốn đã phức tạp thành vô cùng phức tạp", Karol nói.

Vấn đề cuối cùng, có vẻ như các nguyên tắc của bảng tuần hoàn đang bị phá vỡ bởi các nguyên tố mới. "Flerovi ở vị trí 114 là một ví dụ tuyệt vời", Shaughnessy nói. Nó đang thể hiện những tính chất của cả kim loại và khí hiếm. Những nguyên tố như thế này khiến chính các nhà khoa học nghi ngờ về những nguyên tắc họ đặt ra cho bảng tuần hoàn. Đối với một học sinh phổ thông, điều đó không có ý nghĩa cụ thể. Nhưng đối với một nhà hóa học, dường như sự thiêng liêng mà họ tôn thờ đang bị đánh đổ.