Chuyện khoa học đầu xuân: Cuộc săn tìm nguyên tố 113

tedan

New Member
#1
Câu chuyện bắt đầu từ một tấm thiếp chúc mừng năm mới của lãnh đạo Viện RIKEN gửi cho tôi. RIKEN là tên viết tắt của viện nghiên cứu vật lý - hoá học hàng đầu Nhật Bản, nằm ở ngoại vi Tokyo.


Viện nghiên cứu RIKEN.
RIKEN là nơi tôi đã vài lần viếng thăm và trao đổi về hợp tác khoa học và hiện vẫn có các đồng nghiệp ngành hạt nhân Việt Nam sang tu nghiệp hoặc tham gia nghiên cứu. Những năm trước, tôi vẫn nhận được thiếp chúc mừng năm mới của RIKEN với những hình ảnh quen thuộc biểu tượng của đất nước Mặt-Trời-Mọc: một cành anh đào đỏ thắm, một cô gái xinh đẹp trong bộ kimônô truyền thống, đỉnh núi Phú Sĩ tuyết phủ trắng xoá. Năm nay, thay vì những hình ảnh đó, trên nền xanh lá cây của tấm thiếp xuất hiện một dòng chữ vàng: Discover New Element "113". Dòng chữ mang thông điệp: họ đã tìm ra nguyên tố mới 113; chính họ là chủ nhân của phát minh khoa học lớn đó.

Các nhà khoa học Nhật Bản tuyên bố...

Bức thông điệp kiêu hãnh của RIKEN như một liều thuốc làm dấy lên “máu mê” nghề nghiệp trong tôi. Dù đang bận rộn nhiều việc trong những ngày Tết, tôi vẫn lên mạng tìm đọc lại, phân tích sâu hơn những thông tin phát ra từ các phòng thí nghiệm đang tham gia cuộc đua tìm nguyên tố 113 và giành vương miện người về đích sớm nhất.

Và rõ ràng, trong số đó, RIKEN có tiếng nói mạnh mẽ nhất khẳng định quyền phát minh của mình. Thực vậy, trong khi trả lời báo giới, các tác giả chủ chốt của dự án 113, TS Morita và TS Yano, (những người từng qua thăm và làm việc với đồng nghiệp Việt nam) cho biết: Các hạt nhân của nguyên tố 113 đã được chế tạo bằng phương pháp tổng hợp từ những hạt nhân nhẹ như kẽm và Bismuth. Cụ thể, trên máy gia tốc RILAC, một chùm hạt nhân Zn70 (có nguyên tử số Z=30 và số khối A=70) được gia tốc đến tốc độ cực lớn, khoảng 10% vận tốc ánh sáng, như những viên đạn bắn liên tục trong 80 ngày đêm vào tấm bia gồm các hạt nhân Bi209 (với Z=83 và A=209). Trong khoảng 1920 giờ bắn phá, xẩy ra cả trăm-triệu-triệu cú va chạm giữa đạn kẽm với bia Bismuth, hệ đêtêctơ cực nhạy đã ghi được một số vô cùng ít hiện tượng đang mong đợi: đạn Zn dính với nhân Bi để tổng hợp thành hạt nhân mới với nguyên tử số tổng cộng là Z=30+83=113. Đó chính là các hạt nhân của nguyên tố đang săn tìm 113. Như tiên liệu, phản ứng tổng hợp xảy ra rất hiếm hoi, nói theo ngôn ngữ khoa học là xác suất xảy ra cực bé.

Dù sao, điều quan trọng nhất đã xuất hiện, phản ứng đã xảy ra và con người đã "chạm tay" vào nguyên tố chưa hề biết 113. Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu RIKEN đã ghi nhận 4 hạt anpha (mỗi hạt mang số Z=2 và A=4) nối đuôi nhau phát ra từ mỗi hạt nhân 113 vừa hình thành để tạo ra một dãy các hạt nhân "con-cháu-chắt-chiu" đã biết: 111 (chưa đặt tên), 109 (có tên là Metnerium Mt),107 (Bohrium Bh) và cuối cùng là 105 (Dubnium Db). Việc nhận dạng hạt nhân cuối cùng 105 có số khối lượng 262 cho phép các tác giả phát minh xác định hạt nhân 113 tổng hợp được ban đầu có số khối lượng là 278. Điều này phù hợp với nguyên lý bảo toàn số khối lượng A: 70 + 209 = 278 + 1 (1 hạt nơtron bay ra). Dựa trên kết quả xác định chính xác nguyên tử số Z và số khối lượng A của nguyên tố tìm thấy, các nhà khoa học Nhật sớm tuyên bố là người đầu tiên tìm ra nguyên tố siêu nặng 113.

Chỉ có các “đại gia” tham gia cuộc đua


Các nhà khoa học Nga làm việc trong phòng thí nghiệm Dubna.
Từ nhiều thập kỷ nay, việc tìm thấy một nguyên tố chưa hề biết để kéo dài thêm bảng tuần hoàn các nguyên tố Menđêlêev là một phát minh đầy hấp dẫn và được ngưỡng mộ trong giới khoa học.

Hấp dẫn và ngưỡng mộ vì rất hiếm, không thể tìm thấy trong tự nhiên. Trong khi hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn nguyên tố, từ nguyên tố nhẹ nhất như khinh khí (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, thì các nguyên tố nặng hơn Uranium, gọi là siêu Uranium hay siêu nặng, đều không bền và phân rã rất nhanh. Nếu hàng triệu năm trước, chúng đã được sinh ra cùng với sự hình thành trái đất, thì giờ đây cũng đã huỷ hết rồi.

Do đó, các nguyên tố siêu nặng chỉ có thể tìm được bằng cách chế tạo trong phòng thí nghiệm với những thiết bị gia tốc và phân tích hết sức hiện đại và chi phí tốn kém lớn đến mức chỉ một số ít nước giàu có mới chịu chơi. Xin dẫn ra một thí dụ nhỏ về giá cả của vật liệu Ca48 dùng trong thí nghiệm tìm nguyên tố mới. Để tách được 1gam Ca48 phải chi tốn 200.000 USD. Rõ ràng, giá Ca48 đắt hơn vàng đến cả chục ngàn lần!

Do tốn kém và đòi hỏi sự hoàn thiện công nghệ, trong suốt 65 năm nay, kể từ 1940 khi phát hiện ra các nguyên tố siêu nặng đầu tiên là Neptunium (hay nguyên tố 93) và Plutonium (hay nguyên tố 94), bản danh sách này chỉ kéo dài thêm được 20 nguyên tố siêu nặng. Trung bình 3 năm mới tìm được 1 nguyên tố. Vì thế, mỗi một nguyên tố mới được phát hiện chính là một cột mốc lớn đánh dấu bước tiến của con người trên con đường nhận thức cấu trúc vi mô của thế giới vật chất đang sống.

Tất cả những điều nói trên có thể lý giải tính quyết liệt trong cuộc tranh đua giữa các trung tâm khoa học lớn giành quyền phát minh đối với mỗi một nguyền tố mới như nguyên tố 113.

Riêng đối với nền khoa học Nhật Bản, phát minh nguyên tố 113 là một cơ hội đặc biệt họ chờ đợi từ bao năm, đánh dấu thời điểm Nhật trở thành "người hùng" trong lĩnh vực nguyên tố mới mà từ lâu ba "đại gia" Mỹ, Đức và Nga thay nhau giữ độc quyền. Và nếu phát minh này được công nhận, phòng thí nghiệm RIKEN sẽ nhảy một bước lên hàng TOP bên cạnh những "người khổng lồ" LBNL ở Berkley (Mỹ), JINT ở Dubna (Nga) và GSI ở Darmstadt (Đức).

Ở đây, có thể nhận thấy trong tuyên bố của RIKEN, bên cạnh sự tự tin là một chút vội vàng. Thực vậy, vội vàng vì người Nhật biết không chỉ một mình họ trên đường đua. Họ biết rất rõ các đội đua của Đức, Mỹ và Nga, sau khi chia nhau những vinh quang và tích luỹ kinh nghiệm "đầy mình" đã xuất phát từ mấy năm nay rồi và đang tăng tốc trên đường đến 113.

Các “đội đua” đến từ Mỹ, Đức, Nga

Các chuyên gia lão luyện ở Darmstadt sau khi vượt qua những mốc vinh quang như nguyên tố 107 (Bohrium), 108 (Hassium), 109 (Meitnerium), 110 (Darmstadtium) và 111 (chưa đặt tên), nay đang nhắm đến đích kép 112 và 113. Không chỉ vậy, người Đức tiến hành các thí nghiệm với những phương pháp rất gần người Nhật và khả năng các kết quả của họ sẽ rất giống nhau.

Đối thủ đáng gờm nhất của các nhà nghiên cứu Nhật Bản trong cuộc săn lùng 113 là nhóm các nhà khoa học nổi tiếng Mỹ và Nga bắt tay nhau cùng tiến hành thí nghiệm chung với những tấm bia Americium Am243 (có Z=95 và A=243) mang từ Mỹ sang và trên máy gia tốc cực mạnh U400 của Viện Liên hợp nghiên cứu Dubna (JINT). Từ nửa thế kỷ nay, Viện Dubna là một trung tâm khoa học quốc tế hàng đầu và Việt Nam là một quốc gia thành viên. Đây là chiếc nôi đào tạo nhiều chuyên gia đầu đàn về khoa học hạt nhân cho nhiều nước, trong đó có nước ta. Bản thân chúng tôi đã có những năm tháng tuyệt vời và quý giá trong cuộc đời khoa học khi được sống và làm việc ở nơi này trong tư cách các cộng tác viên khoa học, trong những năm cuối của thập kỷ 60. Tôi còn nhớ, ngay thời đó, các nghiên cứu tìm kiếm nguyên tố siêu nặng đã rất sôi động tại phòng thí nghiệm của các nhà bác học nổi tiếng như Flerov và Oganessian. Họ cũng là những người thầy, người bạn lớn của nhiều nhà khoa học Việt Nam, đã từng qua thăm và làm việc với các trung tâm khoa học ở Đà Lạt và Hà Nội.

Sau những chiến tích tìm kiếm các nguyên tố 104, 105... và gần đây là 114, chẳng có gì bất ngờ, chính Dubna, ngay từ tháng 2.2004, là nơi đầu tiên phát ra thông báo về kết quả thí nghiệm tổng hợp nguyên tố 113. Trong thí nghiệm của mình, "đạn" Ca48 (với Z=20) được gia tốc và bắn vào bia Am243 (với Z=95). Theo nguyên lý, hạt nhân tổng hợp được sẽ là hạt nhân 115 vì Z = 30 + 95 = 115. Dự đoán hạt nhân 115 không bền, nên sẽ phát ra hạt anpha để thành hạt nhân con 113, từ đó phát liên tiếp 4 hạt anpha nữa để trở thành hạt nhân cuối cùng là 105 (Dubnium). Thí nghiệm ở Dubna kéo dài liên tục trong một tháng trời, và thiết bị ghi được 4 dấu vết phân hạch của 4 hạt nhân "chắt chiu". Bằng cách loại trừ theo thời gian sống, họ nhận diện chúng là các hạt nhân 105. Đây là dấu hiệu gián tiếp của sự tạo thành 4 cặp hạt nhân của các nguyên tố chưa biết 113 và 115.

Sự nhận diện không đầy đủ về "nhân chứng sống" 105 là điểm yếu của kíp thí nghiệm Nga-Mỹ ở Dubna. Đây là điều mà Morita của RIKEN điểm huyệt: "Tôi nghĩ rằng thí nghiệm của họ (nhóm Dubna-chú thích của TTM) gần đúng cả, nhưng kết thúc của quá trình phân rã lại nhận được một hạt nhân không rõ ràng, và từ đó thật khó để xác định các tính chất như số Z và A của các nguyên tố tổng hợp được (115 và 113-TTM)". Thực ra, chính các tác giả của nhóm Dubna, trong thông báo kết quả nghiên cứu, cũng chưa hề sử dụng đến cụm từ "người phát minh nguyên tố 113", mặc dù họ nói đến niềm tin với kết quả thí nghiệm của mình. Trong khi đó, Morita thay mặt cho nhóm tác giả RIKEN dõng dạc: "Vì những lý do nói trên, chúng tôi tuyên bố là người đầu tiên phát hiện nguyên tố mới 113".



RIKEN hay Dubna?

Vậy ai là tác giả của phát minh 113? RIKEN hay Dubna? Tên gọi của nguyên tố 113 là gì?
Có lẽ còn sớm cho những câu trả lời cuối cùng. Theo thông lệ, bất cứ phát minh nguyên tố mới nào, trước hết, phải được một phòng thí nghiệm độc lập thẩm định. Trong trường hợp 113, vấn đề còn phức tạp hơn, bởi vì cả hai phòng thí nghiệm đều công bố tìm được 113, Dubna công bố trước (tháng 2.2004) nhưng số liệu còn sơ sài còn RIKEN công bố sau (tháng 7.2004) nhưng kết quả đầy đặn hơn; thậm chí họ đã nghĩ đến việc đặt tên cho 113 là Japonium hoặc Rikenium.

Tuy nhiên, cơ quan có thẩm quyền cao nhất xác nhận quyền phát minh và chấp nhận tên gọi cho một nguyên tố mới chỉ là Hiệp hội Quốc tế Hoá học Tinh khiết và Ứng dụng (IUPAC). Quá trình thẩm đinh và đặt tên thường đầy thận trọng, nhiều tranh cãi và kéo dài. Chẳng hạn, nguyên tố được phát hiện 10 năm trước đây, năm 1995, nhưng vừa được nhận tên gọi Darmstadtium (Db) vào năm 2003. Nguyên tố 106 còn đợi lâu hơn, tìm thấy năm 1974 nhưng đến 1997, hơn 20 năm sau, mới có tên gọi là Seaborgium (Sg). Đặc biệt, sau vụ bê bối làm nguỵ tạo số liệu nghiên cứu bị bại lộ kèm theo sự rút lại lời tuyên bô "phát minh" nguyên tố 118 của Phòng thí nghiệm quốc gia danh tiếng Berkley và dẫn đến sự sa thải một khoa học gia hàng đầu (Ninov), quy trình xét và xác nhận giờ đây sẽ càng chặt chẽ và kéo dài hơn trước.

Xung quanh sự kiện phát minh nguyên tố mới, những vấn đề lý thú như cách đặt tên nguyên tố hoá học, sự tồn tại đảo bền các nguyên tố siêu nặng, bảng tuần hoàn Menđêleev kết thúc ở đâu v.v.... là những câu chuyện dài. Có dịp, tôi xin trở lại hầu chuyện các bạn độc giả quan tâm.

Những ngày Tết Ất Dậu

Trần Thanh Minh
 

Hãy đăng ký hoặc đăng nhập để gửi phản hồi

Bạn phải là thành viên mới có thể gửi phản hồi

Đăng ký

Hãy đăng ký làm thành viên. Việc này rất đơn giản!

Đăng nhập

Bạn là thành viên? Hãy đăng nhập tại đây.

Top