Vậy là bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học lại được mở rộng một lần nữa vào cuối năm ngoái với việc bổ sung thêm bốn nguyên tố siêu nặng mới, nâng tổng số các nguyên tố được biết đến hiện nay lên 118.

Nhưng cuộc săn tìm các nguyên tố mới thực ra đã bắt đầu với các nỗ lực phát triển năng lượng hạt nhân và bom nguyên tử trong Chiến tranh Thế giới thứ II. Vào thời điểm đó, uranium là nguyên tố nặng nhất được biết đến, xếp thứ 92 trong bảng tuần hoàn.

Các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng phát hiện ra rằng khi uranium được đặt vào bên trong một lò phản ứng hạt nhân, một chuỗi các phản ứng phức tạp sẽ dẫn tới sự sản sinh một vài nguyên tố được gọi là các nguyên tố vượt bậc (transuranic – các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn 92, vượt số lượng nguyên tử của uranium).

Tìm kiếm trong đống mảnh vỡ của vụ thử bom nhiệt hạch đầu tiên, người ta đã phát hiện thêm hai nguyên tố vượt bậc nữa là einsteinium và fermium, nâng tổng số nguyên tố lên con số 100 chẵn.

Một vài trong số các nguyên tố này có thể được bắt gặp thường xuyên hơn bạn tưởng. Phần lớn các gia đình đều sở hữu một chút ít nguyên tố americium (thứ 95) trong thành phần của chiếc máy báo cháy thông thường, còn nguyên tố californium (thứ 98) thì được sử dụng rộng rãi trong các máy phân tích công nghiệp. Với mức giá 60 triệu USD cho mỗi gram, nguyên tố californium đắt hơn vàng khoảng một triệu lần.

Bên ngoài nguyên tố thứ 100

Để tìm kiếm các nguyên tố vượt khỏi nguyên tố thứ 100, ngay cả khi viện đến sức mạnh của một quả bom nhiệt hạch (mạnh hơn bom nguyên tử), thì sẽ vẫn không có tiến triển gì, do đó các nhà khoa học phải thay đổi chiến thuật trong công cuộc tìm kiếm các nguyên tố nặng hơn nữa. Họ đã thay thế các biện pháp nhẹ nhàng bằng “vũ lực”, sử dụng đến máy gia tốc hạt để bắn các nguyên tử vào các mục tiêu được lựa chọn kỹ lưỡng.

Dưới các điều kiện thích hợp, các hạt nhân nguyên tử trong chùm tia được bắn ra và mục tiêu được nhắm tới có thể kết hợp lại với nhau, tạo ra các nguyên tố mới. Thật phù hợp, nguyên tố đầu tiên được tạo ra theo cách này, mendelevium, đã được đặt theo tên của nhà hóa học Dmitri Mendeleev, người sáng tạo ra bảng tuần hoàn.

Các nhà khoa học Nga và Mỹ đã tiếp tục đẩy mạnh theo chiều hướng này trong suốt những thập niên 50, 60 và 70 của thế kỷ trước và cuối cùng đã đạt đến được nguyên tố thứ 106. Đối diện với căng thẳng trong những năm Chiến tranh Lạnh, việc ưu tiên khám phá các nguyên tố này đã bị phản đối một cách kịch liệt, khi xuất hiện các tuyên bố và bác bỏ đối với các kết quả thí nghiệm khá mơ hồ.

Phải đến năm 1997, Liên minh Quốc tế về Hoá học thuần tuý và Hoá học ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC) mới công nhận những người đã khám phá ra những nguyên tố này và công bố tên gọi chính thức của chúng, phần lớn chiểu theo tên của các nhà khoa học và các thành phố tại Mỹ và Liên Xô (cũ).

Người Đức đã nắm vai trò chủ đạo vào những năm 1980-1990 với việc khám phá ra các nguyên tố từ 107 đến 112.

Các nhà nghiên cứu người Đức đã bổ sung một hương vị đậm nét châu Âu vào cơ chế đặt tên các nguyên tố mới, nhằm tôn vinh các nhà vật lý như Niels Bohr (bohrium), Lise Meitner (meitnerium) và Wilhelm Röntgen (roentgenium), nhà thiên văn học Nicolaus Copernicus (copernicium) cũng như thành phố và bang quê hương của họ – darmstadtium và Hassium được đặt theo tên của thị trấn Darmstadt và bang Hesse của Đức (thông qua tiếng Latinh nên chữ ‘e’ được đổi thành ‘a’).

Chỉ một số ít nguyên tử của các nguyên tố này từng được chế tạo trong lịch sử.

Tới những nguyên tố siêu nặng trong bảng tuần hoàn

Tiếp tục với các các nguyên tố còn nặng hơn nữa, công cuộc tìm kiếm trở nên khó khăn hơn vì ba lý do.

Thứ nhất, xác suất để hai hạt nhân nguyên tử kết hợp thành công nhằm tạo nên một nguyên tố mới sẽ giảm xuống nhanh chóng. Thứ hai, các nguyên tố siêu nặng này cực kỳ bất ổn định, do đó bất kỳ nguyên tử nào được tạo ra cũng chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. Thứ ba, việc giải mã những đặc điểm phức tạp của quá trình hình thành và phân rã tức thời của các nguyên tố này cũng trở nên khó khăn hơn.

Trước mối quan hệ quốc tế có phần được cải thiện vào thời hậu cải tổ (post-Glasnost) của Liên Xô cũ, phần lớn các phát hiện gần đây đều là kết quả hợp tác giữa các nhà khoa học từ hai nước Nga và Mỹ. Theo đó, nguyên tố thứ 114 (flerovium) và 116 (livermorium) đã được IUPAC công bố vào năm 2012.

Trong công bố gần đây nhất của mình, IUPAC đã công nhận việc phát hiện ra nguyên tố thứ 115, 117 và 118, cho cùng một nhóm. Một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản làm việc độc lập đã được công nhận với việc phát hiện ra nguyên tố thứ 113 trong bảng tuần hoàn.

hóa học
(Ảnh: Wikimedia)

Việc tạo ra dù chỉ một chút ít những nguyên tố siêu nặng này cũng đã là một sự nỗ lực phi thường. Lấy ví dụ, để phát hiện ra nguyên tố thứ 118 trong bảng tuần hoàn, các nhà thực nghiệm đã phải bắn một chùm nguyên tử canxi liên tục hàng tháng vào một điểm đích có chứa nguyên tố californium.

Xác xuất để bất kỳ nguyên tử canxi nào kết hợp lại là vô cùng nhỏ bé, gần như bằng với xác suất của việc trúng xổ số Oz Lottom, nhưng lại bị sét đánh chết ngay sau đó 15 phút.

Nỗ lực kể trên đã tạo ra duy nhất ba nguyên tử của nguyên tố mới, mỗi nguyên tử trong chúng chỉ tồn tại trong một phần nghìn của một giây. Ghi nhận những nguyên tử này cũng khó khăn không kém: cần phải có một hệ thống dò tìm tinh vi để thu nhận các đợt phân rã phóng xạ mà sẽ kết thúc với việc các hạt nhân nguyên tử nổ tung.

Tại sao cần tìm kiếm các nguyên tố mới?

Tất cả các điều kể trên đã đặt ra một câu hỏi: Tại sao cần phải làm vậy? Rốt cuộc, thật khó để có thể tìm ra một ứng dụng thực tiễn cho một nguyên tố mới, vốn phải bỏ ra rất nhiều nỗ lực để tạo ra nhưng lại tồn tại chỉ trong một khoảng thời gian quá ngắn.

Việc nghiên cứu các nguyên tố siêu nặng này có thể dạy chúng ta không chỉ về các loại lực tồn tại trong các hạt nhân nguyên tử mà, có lẽ còn đáng ngạc nhiên hơn, còn về điều gì sẽ xảy ra khi các ngôi sao lụi tàn.

Khi một ngôi sao khổng lồ nổ tung dưới dạng thức một siêu tân tinh (supernova), các hoàn cảnh cực đại đó có thể vừa hay phù hợp để tạo ra các nguyên tố siêu nặng. Có các gợi ý trên mặt lý thuyết cho việc một số các nguyên tố này có thể sẽ kháng lại tình trạng bất ổn định đang gia tăng và tồn tại trong các dạng thức lâu bền, một hiệu ứng được biết đến với tên gọi “hòn đảo bền vững“.

Tuy các thí nghiệm được thực hiện trên Trái Đất hiện nay mới chỉ tìm kiếm trên bờ của hòn đảo này, nhưng vẫn sẽ giúp chúng ta xác định được liệu các nguyên tố siêu nặng này có thể đã hiện hữu trong vũ trụ hay không. Việc tìm kiếm bên trong những tảng đá trên Trái Đất và các mảnh vụn trong không gian cho đến nay vẫn chưa cho ra kết quả gì, nhưng các nhà khoa học vẫn tiếp tục tìm kiếm.

Bốn nguyên tố bổ sung vào bảng tuần hoàn mới chỉ có các tên gọi tạm thời tại thời điểm hiện nay. Quyền đặt tên các nguyên tố này thuộc về những người phát hiện ra chúng, mặc dù IUPAC cũng áp đặt các nguyên tắc đặt tên khá chặt chẽ.

Japonium được gợi ý là ứng cử viên cho tên gọi của nguyên tố thứ 113, biến nó trở thành nguyên tố đầu tiên bắt đầu bằng chữ J. Hiện nay nếu các nhà khoa học có thể tìm ra một cái tên hay cho nguyên tố mới nhất bắt đầu bằng chữ Q, thì bảng tuần hoàn sẽ đầy đủ tất cả bảng chữ cái.

Tác giả: James Tickner, The Conversation.
Đăng tải với sự cho phép. Xem bài gốc ở đây
Hoàng Sâm biên dịch

Xem thêm:

Từ Khóa: