Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 1)

Paddy Regan (Physics World, tháng 11/2011)

Các thành viên của chương trình hợp tác RISING tại phòng thí nghiệm ion nặng GSI ở Đức. (Ảnh: GSI)

Một sự kiện hiếm đã diễn ra hồi tháng 6, khi không chỉ một mà có tới hai nguyên tố mới được bổ sung vào bảng tuần hoàn hóa học. Là những nguyên tố nặng nhất từng được khám phá, những thực thể mới này tương ứng có 114 và 116 proton trong hạt nhân của chúng. Mặc dù chúng chưa có tên để gọi – nguyên tố có tên gọi nặng nhất hiện nay là copernicium có 112 proton – nhưng sự có mặt của chúng trong bảng tuần hoàn đã được công nhận bởi Hiệp hội Vật lí và Vật lí Ứng dụng Quốc tế và cơ quan chị em của nó về hóa học và hóa học ứng dụng. Nói chính thức thì những nguyên tố này có tồn tại.

Cũng trong cuộc họp của Nhóm Làm việc Chung đã đánh giá bằng chứng cho ba nguyên tố khác nữa trong bảng tuần hoàn, tương ứng chứa 113, 115, và 117 proton. Dấu hiệu của những nguyên tố này đã được trông thấy ở những thí nghiệm tại Liên Viện nghiên cứu Hạt nhân (JINR) ở Dubna, Nga, và các kết quả đã được công bố trên tạp chí khoa học. Tuy nhiên, vào dịp này, ủy ban quyết định không chính thức công nhận sự tồn tại của những nguyên tố đó cho đến khi có những phép đo kiểm tra chéo và rõ ràng hơn.

Kiến thức của chúng ta về hạt nhân nguyên tử đã có bước phát triển lớn kể từ khi khám phá ra nó được báo cáo vào năm 1911 bởi Ernest Rutherford. (Ảnh: Library of Congress/Science Photo Library)

Việc tạo ra và nhận dạng những nguyên tố mới – và trong quá trình đó định nghĩa lại các giới hạn của bảng tuần hoàn – là một lĩnh vực tiên phong của vật lí hạt nhân, nhưng việc chứng minh một nguyên tố mới đã được tạo ra là không đơn giản. Những thách thức khoa học tương tự như thế xảy ra khi đối tượng của thí nghiệm là tạo ra những hạt nhân có tỉ số neutron (N) so với proton (Z) cao hoặc thấp khác thường. Mặc dù những hạt nhân “lạ” này có tính chất hóa học giống với những anh em bền hơn của chúng và vì thế chiếm giữ những ô giống nhau trong bảng tuần hoàn, nhưng khối lượng tổng không giống nhau của chúng có thể làm thay đổi triệt để cách thức hành xử của hạt nhân của chúng. Thật vậy, những loại hạt nhân như thế thường chỉ sống trong tích tắc trước khi chúng phân hủy phóng xạ thành những dạng bền hơn. Nhưng cái mà những phân hủy này có thể làm là cung cấp những cái nhìn mới hết sức đáng giá về cấu trúc cơ sở của các nguyên tử. Điều này giúp chúng ta tìm hiểu các proton và neutron liên kết với nhau như thế nào để tạo ra khối vật chất hạt nhân, và từ đó tìm hiểu những nguyên tố bền đã được tạo ra như thế nào. Một thế kỉ sau bài báo của Ernest Rutherford về sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, chúng ta vẫn đang thu về những cái nhìn mới về những bí ẩn của thế giới hạt nhân.

Rời nhau mà đi

Bảng tuần hoàn hóa học chứa 92 nguyên tố xuất hiện tự nhiên trên Trái đất, đa dạng từ hydrogen, nguyên tố chỉ có 1 proton (Z = 1), đến uranium với 92 proton. Không có nguyên tố nào vượt quá bismuth (Z = 83) có những đồng vị phóng xạ bền; nhưng ngay cả với những nguyên tố nhẹ, các đồng vị bền cũng chỉ đại diện cho một tập con khá nhỏ của mọi hệ hạt nhân có thể có. Thật vậy, trong số 7000 hay ngần ấy loại hạt nhân có thể có được cho là tồn tại, chỉ có 286 kết hợp proton-neutron (hay chiếm khoảng 4% trong tổng số) có chu kì bán rã lớn hơn 500 triệu năm (khiến chúng có thể xem là bền). Số lượng đồng vị bền cũng khác nhau với từng nguyên tố. Thí dụ, thiếc (Z = 50) có 10 đồng vị bền, trong khi technetium (Z = 43), promethium (Z = 61) và polonium (Z = 84) thì chẳng có đồng vị nào bền.

Trong họ hạt nhân bền này, có thể nhận ra những kiểu hình nhất định. Một trong những quan tâm này là khối lượng tổng cộng của hạt nhân, A, đó là tổng số proton và neutron trong một hạt nhân (Z + N). Dãy hạt nhân có cùng giá trị A được gọi là đồng khối. Nếu A là lẻ, thì thường chỉ có một kết hợp bền của proton và neutron cho “dãy đồng khối” nhất định đó, còn với những giá trị chẵn của A dưới 200 thì thường có hai dãy đồng khối bền. Thí dụ, có hai đồng khối bền A = 86, đó là krypton-86 và strontium-86, nhưng chỉ có một đồng khối bền A = 85 ở dạng rubidium-85.

Một dấu hiệu nhận biết khác nữa của tính ổn định hạt nhân là tỉ số neutron trên proton trong một hạt nhân (N/Z). Những hạt nhân nhẹ với A < 40 là bền nhất khi hạt nhân chứa số lượng proton và neutron gần bằng nhau (N/Z ≈ 1). Khi A = 16, chẳng hạn, hệ bền nhất là oxygen-16, nó có 8 proton và 8 neutron. Những hạt nhân nặng, trái lại, là bền nhất khi N > Z; đồng vị thường gặp nhất của chì, chẳng hạn, có 126 neutron và 82 proton, với N/Z = 1,65.

Những kiểu hình như thế là quan trọng đối với những ai đang nghiên cứu những hạt nhân nặng và kì lạ vì hai lí do khác hẳn nhau. Thứ nhất, chúng có liên hệ với một số chủ đề rất hấp dẫn trong lí thuyết cơ sở của cấu trúc hạt nhân, nhất là sự tồn tại của cái gọi là “những cấu hình thần kì” của proton và neutron liên kết chặt chẽ hơn – và do đó bền hơn – so với những láng giềng hạt nhân của chúng. Mặc dù tổng năng lượng cần thiết để phá vỡ một hạt nhân thành các proton và neutron thành phần của nó – tức là năng lượng liên kết – tăng gần như tuyến tính theo tổng số nucleon trong hạt nhân (N + Z), nhưng hóa ra sự liên kết thêm đó đi cùng với những hạt có N hoặc Z bằng 2, 8, 20, 28, 50, 82 hoặc 126. Hạt nhân chứa “số thần kì” proton và neutron như vậy tựa như tương đương hạt nhân của các khí trơ: tính ổn định thêm của chúng có nguyên nhân là bởi lớp vỏ nucleon bên ngoài của chúng đã đầy, hoặc “kín”. Từ kinh nghiệm thực tế, những hạt nhân thần kì phát sinh từ một số hạng “spin quỹ đạo” bổ sung trong toán tử Hamilton hạt nhân, làm cho những orbital nhất định với xung lượng góc lớn có năng lượng thấp đi đáng kể.

Lí do thứ hai khiến người ta quan tâm đến các kiểu hình hạt nhân bền là vì chúng giúp chúng ta dự đoán và tìm hiểu một hạt nhân không bền sẽ phân hủy như thế nào. Thí dụ, những hạt nhân có nhiều neutron quá so với đồng khối bền nhất đối với một giá trị A cho trước có thể tự phát biến đổi một trong các neutron của chúng thành proton, phát ra một electron (β^–) và một phản neutrino trong quá trình đó. Nhưng nếu một hạt nhân có nhiều proton quá so với đồng khối bền, thì một proton có thể biến đổi thành một neutron, phát ra một positron (β⁺) và một neutrino.

Mặc dù phát xạ β là mode phân hủy chính đối với đa số những đồng vị phóng xạ có khối lượng nhỏ hơn 209, nhưng những dạng phân hủy phóng xạ khác trên phương diện năng lượng cũng có khả năng xảy ra. Những hạt nhân với ít neutron nhất đối với một dãy hạt nhân nhất định chứa cùng số proton, chẳng hạn, có thể phân hủy bằng cách phát ra một proton trực tiếp từ hạt nhân. Mode phân hủy này đã được quan sát thấy ở những đồng vị thiếu neutron nhất thuộc những nguyên tố Z lẻ. Trong trường hợp này, cái duy nhất ngăn chặn proton cuối cùng, chưa ghép cặp, bị phóng ra tự phát là proton đó phải chui hầm cơ lượng tử qua một hàng rào năng lượng hình thành bởi sự kết hợp của lực đẩy Coulomb giữa các proton trong hạt nhân và xung lượng góc của proton cuối cùng, chưa ghép cặp.

Hình 1. Những giới hạn của sự tồn tại hạt nhân thể hiện rõ trong đồ thị này. Đồ thị thể hiện năng lượng cần thiết để đưa những hạt nhân chứa một số lượng proton (Z) và neutron (N) cho trước lên trạng thái kích thích hạt nhân đầu tiên. Những vùng màu đỏ tương ứng với những hạt nhân có năng lượng kích thích cao, còn những hạt nhân trong vùng tô màu xanh tiêu tốn ít năng lượng hơn để chuyển sang trạng thái kích thích. Những ô vuông màu đỏ thể hiện những hạt nhân bền về mặt phóng xạ hoặc có chu kì bán ra lớn hơn 500 triệu năm. Những hạt nhân “số thần kì” proton và/hoặc neutron bền một cách lạ thường, và xuất hiện dưới dạng những vùng cô lập màu đỏ bao quanh bởi một “biển” màu xanh. Những nguyên tố trên nobelium (Z = 102) trong bảng tuần hoàn hóa học không được tính đến vì năng lượng kích thích của chúng cho đến nay vẫn chưa được đo. (Ảnh: B Cakirli)

Đối với một vài hạt nhân có số lượng proton chẵn nhưng rất ít neutron, như sắt-45, nickel-48 và kẽm-54, các nhà vật lí hạt nhân mới đây đã quan sát thấy một mode phân hủy mới và rất hiếm của sự phát xạ hai proton tương quan. Tuy nhiên, những hạt nhân “N thấp, Z chẵn” như thế thường hay phân hủy bằng cách phát ra hạt alpha (hai proton và hai neutron liên kết với nhau). Trong nhiều trường hợp, hạt nhân còn lại – cái gọi là hạt nhân con - ở một trạng thái kích thích thường phân hủy sang trạng thái cơ bản của nó bằng cách phát ra các photon tia gamma với một năng lượng đặc trưng, cái có thể cung cấp những manh mối hữu ích cho cấy trúc bên trong của nó. Hóa ra những hạt nhân nhất định đòi hỏi nhiều năng lượng hơn so với những hạt nhân khác để đưa hạt nhân vào một trạng thái kích thích, đưa đến những năng lượng kích thích cao hơn một cách có hệ thống (hình 1); đây là những hạt nhân chứa số thần kì proton và neutron. Nhưng có những hạt nhân “thần kì kép”, còn bền hơn nữa – với số lượng thần kì proton lẫn neutron – chứa những trạng thái kích thích đầu tiên có năng lượng còn cao hơn nữa.

Tuy nhiên, một số hạt nhân không phát ra tia gamma nào hết khi chúng phân hủy từ một trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản của chúng, mà thay vào đó lại truyền năng lượng giải phóng cho một electron nguyên tử bay vọt ra với một năng lượng đặc trưng. Một electron từ lớp vỏ bên ngoài sau đó rơi vào chỗ trống, phát ra một tia X trong quá trình đó. Những tia X này đặc biệt có ích trong việc nhận dạng nguyên tố đến từ đâu vì năng lượng của chúng tỉ lệ với bình phương số proton trong hạt nhân nguyên tử - một mối quan hệ gọi là “định luật Moseley” mang tên nhà vật lí người Anh thế kỉ thứ 20 Henry Moseley, người đã phát hiện ra nó. Như đối với những nguyên tố nặng nhất, với số lượng proton nhiều nhất, chúng có thể tự phát vỡ thành hai mảnh nhỏ hơn, có lợi năng lượng hơn qua quá trình phân hạch. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, mode này không được ưu tiên so với mode phân hủy alpha đối địch.

Đối với những nhà vật lí người các hạt nhân lạ, những loại phân hủy khác nhau này giống như những cái vòng và đường vẽ trong dấu vân tay của con người. Sự có mặt hay không có mặt của chúng có thể chứng minh một hạt nhân nhất định có mặt hay không trong một thí nghiệm nhất định, đồng thời mang lại cái nhìn trực tiếp vào sự sắp xếp của các proton và neutron trong hạt nhân đang nghiên cứu. Nhưng với hạt nhân lạ không xuất hiện tự nhiên trên Trái đất như thế này, câu hỏi đặt ra là, làm thế nào chúng ta có thể tạo ra chúng?

>> Còn tiếp Phần 2...

Bài trước | Bài kế tiếp