8/3/2015
Các nhà khoa học ngành vật lý học còn tìm kiếm thêm những đơn vị thuần túy chất liệu bao lâu nữa ? :
|
Rèn luyện, sáng tạo những Nguyên tố Mới
GS Tôn Thất Trình
|
Nguyên tố siêu nặng: cái nhìn bên trong luật Thiên Nhiên
Hãy nhìn xem quanh ta : Mọi điều đơn giản bạn nhìn thấy là thành phần của các nguyên tố ở bảng hóa học tuần hòan- mperiodic table ( hình 1 ) . Kể từ khi các nhà khoa học vá víu cùng nhau các tập mục lục các khối xây dựng của thiên nhiên vào thế kỷ thứ 17, họ đã tự hỏi là các nguyên tố - elements và các biến đổi của chúng gọi tên là đồng vị( phóng xạ )- isotopes , có bao giờ chấm dứt không. Đây là một câu hỏi sâu xa về trọng tâm của vũ trụ .
Ngày nay chúng ta có 118 nguyên tố trong sổ sách , phân biệt nhau bằng số protons- nguyên sinh tử ở nhân của chúng. Tuy nhiên , khỏang chừng 2 tá những nguyên tố này không xảy ra trong thiên nhiên . Qua nhiều năm , các nhà vật lý học đã làm xuất hiện những nguyên tố mới , đời sống ngắn ngủi và cở siêu kích thước điển hình, (định nghĩa bằng số nguyên tử- atomic number của chúng , hay số proton đếm được ), bằng cách đánh vở tan các nhân nguyên tử với nhau ở các máy gia tốc hạt tử . Các đàn đám đồng vị đáng chú ý cũng đã bừng dậy từ các máy làm va chạm , đụng độ này .
Mỗi một nguyên tố “siêu nặng - super heavy” mới , ghi sổ đóng đinh ở bảng tuần hòan, cho chúng ta một cái nhìn bên trong của các lệ luật thiên nhiên và giới hạn của chúng. Trong lúc đó, các đồng vị - những biến đổi của một nguyên tố có số lượng neutrons- trung hòa tử khác biệt nhau ở nhân của chúng - có thể chứa những đặc tính khác nhau làm chúng có giá tri cho khoa học và công nghệ . Chẳng hạn, đồng vị hay dùng nhất làm hình ảnh y khoa là một đồng vị của technetium , nguyên tố đầu tiên dược tổng hợp nhân tạo năm 1937 . Rât nhiều máy dò khói- smoke detectors, chứa một đồng vị của nguyên tố americium , cũng do người tạo ra , à một nguyên tố siêu nặng phóng xạ , nguyên thủy sáng tạo ra năm 1944 .
Các nhà khoa học háo hức làm đầy bảng hóa học tuần hòan. Một lý lẽ lớn : hy vọng đến được “ốc đảo ổn định -island of stability” ước đóan . . Ở ốc đảo này ” các con số kỳ diệu - magic numbers”, như các nhà vật lý học chua cay mệnh danh chúng, của protons và neutrons chơi trò mỹ miều cùng nhau , làm ra một nhân - nucleus ổn định hơn. Điều này giúp cho các nguyên tử siêu nặng mới có đời sống dài hơn là các bạn láng giềng đang phân hủy mau lẹ ở bảng tuần hoàn . Các nhân siêu nặng, vì tính chất căn bản bất ổn và tổng hợp, cư xử theo những phương cách khác hẳn và không lường trước được , so với nhân các nguyên tố xảy ra thiên nhiên , thế cho nên không ai biết chắc chắn là ốc đảo sẽ ở nơi nào . Nhưng các nhà khảo cứu nghĩ rằng họ đã đến gần ốc đảo rồi .
Bực dọc thay là chuyện chúng ta có thể trước tiên va đầu vào tường khi tiến tới tạo ra các nguyên tố mới, ngòai 92 nguyên tố thiên nhiên và 26 nguyên tố tổng hợp hiện có. Vì rằng ngày nay các phương pháp đánh vỡ tan nguyên tử đã đến gần các giới hạn lý thuyết và kỷ thuật của chúng. Theo bà Dawn Shaughnessy , một nhà hóa học và lảnh đạo dự án chương trình nguyên tố nặng của La bô Quốc gia ( Hoa Kỳ ) Lawrence Livermore , chúng ta có đi xa hơn 120 là điều ai nấy chỉ phỏng đóan. Muốn tiệc bảng tuần hòan vẫn tiến tới vào thập niên tới , các la bô sẽ tăng quay vòng các máy đụng chạm - colliders nguyên tử thế hệ sắp tới, để xộc xệch ra những nguyên tố xa lạ và thăm dò cách nào chính thiên nhiên sản xuất ra tất cả mọi nguyên tố của vũ trụ. Theo Walt Leveland , gíao sư hóa học ở Viện đại học Bang Oregon - Hoa Kỳ “ khi bạn làm ra những nguyên tố càng ngày càng nặng hơn, bạn làm ra những nguyên tố với những đặc tính hóa học rất khác nhau. Điểm này sẽ giúp bạn biết cách nào cơ cấu nguyên tử họat động” . Đẩy mạnh bao bì thiên nhiên , có cơ rọi ánh sáng vào những nguồn gốc cuối cùng của chất liệu ở Tiếng Nổ Vang - Big Bang và các lò đun ngôi sao - stellar furnaces , cách nào hạt tử tự tổ chức thành các nguyên tố tách biệt, phân lập và hơn nữa. Shaughnessy nói : Chúng ta cố gắng trả lời câu hỏi cơ bản . Vậy chớ nơi nào chất liệu chấm dứt ?
Các Nguyên tử Mới trên Khối
Chế tạo các nguyên tử là thẳng cánh , nhưng không dễ dàng. Các trường điện và từ tính gia tốc các luồng nguyên tử nhẹ hơn, vỗ phết chúng thành những nguyên tố mục tiêu nặng hơn. Xây dựng những nguyên tử to lớn hơn là tóan học căn bản : phóng luồng protons của nguyên tử và cọng thêm các protons nguyên tử mục tiêu . Đa số thời gian , luồng va chạm búng ra khỏi mục tiêu , nhưng đôi khi chúng dung hợp nhau thành một nguyên tử mới đang tìm kiếm . Nguyên tử siêu nặng thành quả , song song với nhiều hạt tử nhỏ hơn rồi thì nghiêng về một bên phía các máy dò silicon bao quanh mục tiêu . Máy dò phân biệt các nhân căn cứ trên những năng lượng các hạt tử dò tìm .
Tiên tiến nguyên tố gần đây nhất là năm ngóai 2014, khi các nhà khoa học hạt nhân ở Trung tâm Khảo cứu Ion nặng Helmholdtz - Đức ( xem hình 2 của vòng tồn trữ hạt tử Trung tâm Helmholtz đính kèm ) bắn một đống berkelium chứa 97 proton bằng một luồng ions calcium chứa 20 protons . Thành quả là vài nguyên tử của nguyên tố 117- proton , chưa có tên chánh thức ( cũng như nguyên tố 118, phát minh năm 2002 ). Tương tự đa số nguyên tố siêu nặng , nguyên tố 117 tỏ ra không ổn định , chỉ kéo dài một phân số của một giây đồng hồ, trước khi chẻ ra làm nhiều nguyên tố nhẹ hơn . Nhưng một trong những sản phẩm tan vỡ thoạt tiên này là một đồng vị chưa từng thấy lawrencium -266 ( có nghĩa là lawrencium , nguyên tố số 103 , với 163 neutrons ). nó kéo dài 11 giờ- một thời gian vô tận ở vương quốc siêu nặng. Khám phá thích thú này gợi ý rằng ốc đảo ổn định sắp được nhìn thấy.
Rèn luyện tới
Hầu đẩy tới nguyên tố 120 và ốc đảo tiên đóan, các nhà khảo cứu sẽ dùng Xưởng Nguyên tố Siêu Nặng - Super Heavy Element, SHE Factory ở thị trấn Dubna - Nga , sẽ khởi sự gỏ đầu hạt nhân cùng nhau năm 2016. Cũng như các máy va chạm - colliders ngày nay , nó sẽ dùng các từ trường đã đập vỡ các luồng nguyên tố nhẹ hơn, thành những nguyên tố mục tiêu nặng hơn. Những muốn tạo ra những siêu nặng mới , Xưởng SHE Factory và các cơ sở tiên nghi khác đang thám hiểm những luồng mới uy vũ hơn và các máy dò hạt tử trình độ điêu luyện hơn . Từ lúc bắt đầu, Xưởng SHE Factory sẽ thả lỏng những luồng cường độ 20 lần các máy gia tốc tốt nhất ngày nay.
Cơ sở tiện nghi cũng phải dưa trên các dụng cụ nhạy cảm siêu cường , có khả năng điểm chấm dễ dàng các hạt tử bỏ quyên , đã luôn luôn kiểm tra dữ liệu về việc tạo dưng nguyên tố siêu nặng hàng tháng lúc cuối cùng . Kiên nhẫn là then chốt ở thế giới siêu nặng vì đa số các va ( đụng ) chạm ở lò phản ứng sản xuất các nhân- nuclei và một vài nhân tan biến, nếu có , là những nguyên tố siêu nặng. Năm 2012 , khi các nhà khảo cứu Nhât thành công sản xuất một nguyên tử của nguyên tố 113, họ đã chạy thí nghiệm đến 553 ngày trên một thời gian dài hơn 9 năm trời. Loveland nói : Vấn đề là khi bạn tìm kiếm một nguyên tố, có thể bạn phải chờ đợi lâu , rất lâu ngày. . Xưởng She - Factory sẽ giúp thí nghiệm với nhạy cảm khỏang 100 lần cao hơn những gì chúng ta có hiện nay , theo lời Yuri Oganessian, nhà lảnh đạo khoa học của Labô Flerov về Các Phản Ứng Hạt Nhân ở viện Dubna . Nó sẽ tăng thêm cơ hội để tổng hợp 119 , 120 và các nguyên tố nặng hơn .
Đặt các neutrons vào họat động
Những nhà khoa học mong tiến tới ốc đảo ổn định, phải lợi dụng ưu điểm của neutrons cũng như protons . Những hạt tử này dính nhau ở nhân nguyên tử nhờ các lực maạnh mẽ, một trong 4 lực cơ bản thiên nhiên ( cùng với trọng lực - gravity , điện từ - electromagnetism và lực yếu đuối - weak force ) . Thêm nhiều neutrons có thể đềxướng ổn định bằng cách nâng cao các tương tác lực mạnh giữa các hạt tử gói chặc như nêm ở nhân siêu nặng, nếu không chúng sẽ đẩy nhau ra xa . Shaughnessy nói là chúng ta chưa đến được trung tâm của ốc đảo ổn định vìlẽ chúng ta quá thioếu thốn neutrons . Nhưng bằng cách thêm neutrons ở nhân , chúng ta có thể tăng thêm đời sống chúng .
Tăng cường số neutrons sẽ là phạm vi họat động của FRIB , cơ sở tiên nghi ở bang Michigan trị giá 730 triệu đô la Mỹ Cơ sở Cho Các Luồng Đồng vị Hiếm - Facilities for Rare Isotope Beams , vừa xây cất tháng 3 năm 2014 . FRIB sẽ thả lỏng các luồng giàu neutrons ở cả hai mục tiêu nguyên tố qui ước và không qui ước , làm ra các siêu nặng sống lâu hơn và chất đầy neutrons . Các luồng FRIB sẽ gồm các nguyên tử to lớn , nhưng vẫn là thông thường tỉ như uranium -238 , gia tốc đến phân nữa tốc độ ánh sáng , Nhưng mục tiêu trong ca này là những nguyên tử nhỏ hơn tan vỡ ra thành những hạt tử lớn hơn khi đụng chạm. Các mảnh vỡ nguyên tử thành quả, sẽ được cẩn thận tách ra khỏi bộ phận sự , dùng các trường điện từ -electromagnetic fields và và các mẹo vặt khác , hầu che chở và tồn trữ những đồng vị thích thú phóng xạ và dày đặc neutrons , trổi dậy từ va chạm.
Khi mở cửa năm 2022, FRIB sẽ sinh ra chừng 100 đồng vị mới và những số lượng 3500 đồng vị đã biết , chung lại làm ra 80% mọi đồng vị có thể có được giữa uranium và hydrogen . Theo Brad Sherrill , chánh khoa học gia ỏ FRIB , nếu các nhà khoa học muốn một đồng vị , FRIB sẽ là nơi cung cấp tốt . Trong số đồng vị ham muốn nhất sẽ là những nguyên tố nặng như sắt , gồm cả vàng và bạc . Lý thuyết cho biết là các siêu sao - supernovas, chết chóc nổ tan của các ngôi sao khổng lồ rèn luyện ra các nguyên tố nặng này . Tuy nhiên , các kiểu mẩu siêu sao siêu computer tốt nhất Hoa Kỳ ,đã thất bại không làm ra được một pha trộn đứng đắn giữa vàng , bạc và rất nhiều kim lọai thân thuộc khác. Sherrill nói : những nguyên tố trong đồ kim hòan dân gian ? chúng ta không biết chúng từ đâu tới. FRIB sẽ sản xuất mộ tsố lượng các tiền thân đời sống ngắn ngủi của những nguyên tố này và thành quả có thể giải đáp bí mật vật lý thiên văn .
Xuống Trái Đất hơn , FRIB có thể làm lộ ra các đồng vị phóng xạ mới giết ung thư, Những đồng vị này có thể có những tính chất hóa học biệt đải dính cặc các tác nhân cung cấp , như vậy sẽ gói lại những đục l ỗ mạnh mẽ u ung thư điều khiển. Một lợi ích khác có thể giúp các nhà khoa học đang họat động trên các nhà máy điện hạt nhân sáng tạo thông hiểu hơn các vật liệu mới, xa lạ, đầy neutrons, họ có thể dùng họat động , mà thành quả là có những lò phản ứng ít lãng phí hơn , hửu hiệu hơn . Chung kết , mùa gặt hái các nguyên tố siêu nặng sắp tới và các đồng vị tân kỳ tuồng như sẽ tu sửa niềm hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên ở mức nguyên tử. Sheriil nói : ở vật lý học hạt nhân, có nhiều biên cương . Đây là một câu chuyện chúng ta không biết nơi nào nó chấm dứt .
( Chiếu theo ASdfam Hadhazy , báo Khám Phá - Discover, tháng ba năm 2015)
( Irvine , Nam Ca Li - Hoa Kỳ, ngày 9 tháng 2 năm 2015 )
