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)

Bạn có ý kiến gì về bài viết Kỳ tích kéo dài bảng tuần hoàn các nguyên tố (I) này? Hãy gởi suy nghĩ, bình luận, đánh giá, lời khuyên ... của bạn về bài viết Kỳ tích kéo dài bảng tuần hoàn các nguyên tố (I) bạn tại đây.