Hành trình mở rộng Bảng tuần hoàn hóa học

Cho đến vài thế kỉ trước, người ta vẫn tin rằng thế giới được cấu tạo chỉ gồm đất, không khí, nước và lửa. Kể từ đó, các nhà khoa học đã khám phá 118 nguyên tố và hiện đang tìm kiếm nguyên tố 119.

Trong các phòng thí nghiệm thời đại vũ trụ ở châu Âu, các nhà nghiên cứu đang làm việc cùng nhau để khám phá ra những nguyên tố mới. Nếu như họ thành công, họ sẽ góp mặt trong câu lạc bộ gồm những nhà khoa học đã viết lại bảng tuần hoàn hóa học.

Người Hi Lạp cổ đại có lẽ đã không đúng khi nói rằng chỉ có bốn nguyên tố - đất, không khí, lửa và nước – nhưng họ đã đúng ở một điểm: các nguyên tố là thành phần tạo nên mọi thứ xung quanh chúng ta, chúng liên kết với nhau thành hợp chất và hòa trộn với nhau theo những tỉ lệ khác nhau. Nhưng trong khi các hợp chất tồn tại muôn hình vạn trạng, thì các nguyên tố thật đơn giản, và cho đến nay khoa học đã biết có 118 nguyên tố. Việc khám phá ra một nguyên tố mới là chuyện to tát.

Nguyên tử, những viên gạch cấu trúc của vật chất, được cấu tạo từ những thành phần đơn giản giống nhau: những hạt nhỏ xíu gọi là proton và neutron, và những electron còn nhỏ hơn nữa quay xung quanh chúng. Số lượng proton trong một nguyên tử - số nguyên tử của nó – xác định nguyên tố đó là gì. Ví dụ, một nguyên tử oxygen có 8 proton, 8 neutron (thông thường) và 8 electron, trong khi những nguyên tố nặng nhất có thể có nhiều hơn một trăm hạt mỗi loại.

Nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev chưa hề biết điều này khi vào năm 1869 ông đã sắp xếp các nguyên tố vào một cái bảng dựa trên trọng lượng nguyên tử của chúng. Ông nhanh chóng nhìn thấy khuôn mẫu xuất hiện: đặc biệt, các cột nhóm những nguyên tố lại với những tính chất giống nhau đến ngạc nhiên. Ví dụ, natrium, rubidium và caesium, ba kim loại phản ứng mạnh với nước, xếp chồng lên nhau trong cùng một cột.

Thoạt đầu, bảng nguyên tố của Mendeleev có một trục trặc: nó có nhiều ô trống. Giữa kẽm và arsen, chẳng hạn, dường như có hai nguyên tố còn thiếu. Nhưng ông dự đoán chắc nịch rằng những ô trống này sẽ được điền đầy bằng những nguyên tố mới phát hiện, và ông đã sử dụng bảng nguyên tố của mình để dự đoán tính chất của chúng sẽ như thế nào. Và ông đã đúng: khoảng trống đó sớm được lấp đầy bởi gallium và germanium.

Bảng tuần hoàn Mendeleev, 1869

Với một vài cải tiến và sửa đổi, bảng nguyên tố do Mendeleev sáng tạo ra đã trở thành cái chúng ta sử dụng ngày nay: bảng tuần hoàn hóa học, cái cơ bản đến mức chúng ta chưa từng dừng lại nghĩ xem nó phải được phát minh ra.

Trong những thập niên sau đó, các nhà hóa học đã chạy đua lấp đầy những ô trống còn lại. Trên hành trình đó, họ còn khám phá ra bảng tuần hoàn hoạt động như thế nào: các hàng và cột phản ánh cách thức electron được sắp xếp trong quỹ đạo của chúng trong những nguyên tố khác nhau, và hóa ra các electron cho biết nhiều tính chất của các nguyên tố.

Vào năm 1945, ô trống cuối cùng trong bảng tuần hoàn được lấp đầy. Phải chăng cuối cùng thì khoa học đã phát hiện ra hết các nguyên tố? Thật hiếu kì, câu trả lời là đúng lẫn không đúng. Toàn bộ những nguyên tố tồn tại tự nhiên trên Trái đất là đã biết. Nhưng – và đó là một cái nhưng lớn – chẳng ai dám nói những nguyên tố mới không thể được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo, nối thêm vào cuối bảng tuần hoàn phía ngoài nguyên tố số 92, uranium.

Với sự phát triển của nghiên cứu nguyên tử vào thập niên 1940, ngay khi những ô trống cuối cùng trong bảng tuần hoàn được lấp đầy, dần dần những nguyên tố mới được tạo ra trong phòng thí nghiệm bắt đầu nối tiếp vào đầu cuối của bảng tuần hoàn, mang đến cho chúng ta 118 nguyên tố đã biết ngày nay. Không ai biết còn bao nhiêu nguyên tố chưa được khám phá.

Tuy nhiên, cái người ta biết là việc tạo ra những nguyên tố mới đang trở nên khó khăn hơn. Ngày nay, bạn cần đến những phòng thí nghiệm tiên tiến nhất thế giới nếu bạn muốn tìm cho mình một cơ hội: những nguyên tố dễ tìm đều đã được tìm thấy rồi.

Được biết với cái tên xoắn lưỡi ununennium, nguyên tố được dự đoán mà một đội nghiên cứu quốc tế đang tập trung hiện nay có khả năng là nguyên tố khó tìm nhất.

Đội nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học ở Trung tâm Nghiên cứu Ion Nặng GSI Helmholtz, và khoảng 20 trung tâm nghiên cứu trên khắp thế giới, đã có kế hoạch tạo ra nguyên tố 119. Phương pháp của họ nghe rất đơn giản: bắn một chùm nguyên tử titanium (số nguyên tử 22) vào bia berkelium (97). Cho hai nguyên tử hợp nhất và eureka! bạn có nguyên tố 119.

Tất nhiên, thực tế không đơn giản như vậy.

Trước tiên, berkelium có tính phóng xạ cao không tồn tại trong tự nhiên: trước hết nó phải được tạo ra trong một lò phản ứng hạt nhân. Hơn nữa, cho các nguyên tử lao vào nhau thực sự là chuyện không đơn giản.

“Cực kì khó tạo ra những chùm titanium cường độ mạnh. Để làm được như vậy, chúng tôi có những bí mật mà chúng tôi sẽ không chia sẻ với ai khác,” giáo sư Jon Petter Omtvedt, một trong các thành viên của đội, giải thích. “Chúng tôi sẽ bắn phá tấm bia bằng một chùm gồm năm nghìn tỉ (5.10¹²) nguyên tử titanium mỗi giây. [...] Xác suất của một va chạm trực diện [giữa các nguyên tử] là cực kì thấp. Khi các nguyên tử va chạm với nhau trong những dịp hiếm hoi, chúng thường chỉ vỡ hoặc hủy mất một phần trong va chạm. Tuy nhiên, chưa tới một lần mỗi tháng, chúng tôi sẽ có một nguyên tử hoàn chỉnh.”

Điều đó giống như chuyện trúng số độc đắc bằng cách mua đủ lượng vé số để giành thêm cơ may. Nó chậm và không hiệu quả, nhưng nó là một trò chơi số, và cuối cùng bạn sẽ đi tới đích.

Nhưng còn một khó khăn nữa. Tất cả những nguyên tố nặng đều có tính phóng xạ: các nguyên tử của chúng vỡ ra thành những mảnh nhẹ hơn theo thời gian, làm giải phóng bức xạ. Và những nguyên tố nặng nhất đã được phát hiện đều hết sức không bền. Ununoctium (nguyên tố 118) phân hủy trong vòng milli giây lúc sinh ra, ununennium có thể còn đoản thọ hơn.

Không có chuyện chúng nguy hiểm – lượng chất là quá nhỏ nên liều lượng bức xạ là an toàn. Nhưng vì thế mà khó nghiên cứu nguyên tố bạn vừa tạo ra: bạn không thể thả nó vào ống thử hay nung nó lên trong lửa đèn Bunsen, bởi vì bạn chỉ mới có một nguyên tử mỗi lượt và chỉ trong một phần nhỏ của một giây.

Giải pháp của đội nghiên cứu là tạo ra ununennium với sự hỗ trợ của một máy gia tốc hạt, sau đó bắn nó vào một máy dò hạt và tìm kiếm những dấu hiệu mách bảo của sự phân hủy hạt nhân ununennium – bức xạ và những nguyên tử mà nó vỡ thành – thay vì tìm kiếm chính ununennium.

Đó là một giải pháp thông minh, nhưng nó để lại một trong những tham vọng của đội nghiên cứu nằm ngoài tầm với: họ muốn có thể nghiên cứu những nguyên tố kì lạ này phản ứng với nhau như thế nào. Nhưng điều đó có lẽ không bao giờ là có thể, ít nhất là không với bất kì loại công nghệ nào mà chúng ta có thể tưởng tượng ra ngày nay.

Nhưng nếu công việc của bạn là tạo ra những nguyên tố mới vì mục đích này hay mục đích khác, thì ‘cái không thể’ nghe giống như là một thách thức...

Oli Usher (Science In School)
Trần Nghiêm lược dịch