Bảng tuần hoàn nguyên tố - những điều thú vị (P1)

PHẦN I:

BỀN HAY KHÔNG BỀN - TỒN TẠI HAY KHÔNG TỒN TẠI
Trong nhà trường (giảng dạy, học tập và thi cử về môn hoá học), bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học (THNT), dĩ nhiên, là một tài liệu cẩm nang. Trong một sõ lĩnh vực khoa học và đời sống, như hoá học, vật lý, sinh học, công nghiệp, bảng THNT là một trong những công cụ tra cứu cần thiết. Và, nói chung, các phát kiến mới mẻ về các nguyên tố hoá học ở các trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới cũng giúp con người mở rộng tầm nhìn, khám phá nhiều điều thú vị về thế giới tự nhiên.

Tuy vậy, trong cuộc sống bộn bề bao điều phải quan tâm, có nhiều tri thức thông thường tưởng là ai cũng biết mà vẫn chưa biết, hoặc không đầy đủ và đôi lúc nhầm lẫn.

Ngay cả trong một buổi truyền hình trò chơi, cả thí sinh (hẳn là một học sinh giỏi muốn chinh phục đỉnh Olympic trí tuệ), MC hoạt bát (và ở phía sau, hẳn là một vị cố vấn ra câu hỏi lẫn đáp án) đều dễ dàng thống nhất nhau một câu trả lời mơ hồ về đặc tính rất tiêu biểu - bền hay không bền - của một số nguyên tố trong bảng THNT.

Vì vậy, chúng tôi xin cung cấp đôi điều hiểu biết nhằm góp phần làm phong phú thêm kho tàng tri thức của bạn đọc, bắt đầu từ một chi tiết trong trò chơi truyền hình trí tuệ đã nêu.

Tất cả nguyên tố nhẹ đều bền?

Để hiểu rõ một nguyên tố như thế nào là bền, trước hết xin cùng nhắc lại một vài khái niệm căn bản về nguyên tố hoá học.

Một nguyên tố có thể có nhiều đồng vị (cùng một nguyên tử số Z, nhưng khác nhau về số khối lượng A). Trong đó, có thể có đồng vị bền (hạt nhân của nó không tự biến đổi thành hạt nhân khác), và đồng vị không bền (còn gọi là đồng vị phóng xạ: hạt nhân của nó có thể tự biến đổi thành những hạt nhân khác). Từ đó dẫn đến các định nghĩa: Nguyên tố bền là nguyên tố có ít nhất một đồng vị bền. Và ngược lại, nguyên tố không bền hay nguyên tố phóng xạ là nguyên tố mà tất cả các đồng vị của nó đều là phóng xạ.

Không ít người nhầm rằng, cứ nguyên tố nào nhẹ hơn Uranium (Z=92) cũng bền. Thực ra, trong các nguyên tố đứng trước nguyên tố Uranium trong bảng THNT được đưa ra trong câu đố của trò chơi truyền hình dẫn ra ở trên, có những 11 nguyên tố không bền hay nguyên tố phóng xạ, đó là: Technetium (ký hiệu Tc,Z=43), Promethium (Pm,61), Bismuth (Bi,83), Polonium (Po,84), Astatine (At,85), Radon (Rn,86), Francium (Fr,87), Radium (Ra,88), Actinium (Ac,89), Thorium (Th,90) và Protactinium( Pa,91). Độ phổ biến và sự xuất hiện trong tự nhiên của các hạt nhân không bền nói trên cũng rất khác nhau.

Chẳng hạn, trường hợp nguyên tố Technetium (Tc) và nguyên tố Promethium (Pm). Cả hai nguyên tố, đầu tiên, được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo trong phòng thí nghiệm. Tc hình thành trong một lá kim loại Molybden và được phát hiện tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Palermo (Sicile, nước Ý) sau khi cho chiếu trên chùm hạt gia tốc của máy gia tốc Cyclotron ở phòng thí nghiệm Lawrence (Mỹ). Còn Pm, cũng tạo được trong lò phản ứng hạt nhân ở Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Hoa Kỳ). Nó là sản phẩm phân hạch của Uranium trong thanh nhiên liệu đã “cháy”của lò phản ứng.


Còn sự xuất hiện của Tc trong tự nhiên được phát hiện bởi các nhà thiên văn, họ ghi nhận dấu vết của Tc qua vạch quang phổ đặc trưng của tia sáng đến từ những ngôi sao đỏ khổng lồ S, M và N trong vũ trụ xa xôi. Sau đó, nguyên tố này mới tìm thấy trên quả đất. Người ta thu được một lượng vô cùng bé nhỏ 0,2nanogam/kilog, tương ứng hàm lượng 2×10−11 % đồng vị Tc-99 trong một mẫu quặng đặc biệt nhặt từ mỏ uran ở Công gô (Phi châu); đồng vị này được xem là sản phẩm phân hạch tự phát của hạt nhân Uranium.

Quá trình phát hiện Pm trong tự nhiên ngược lại với Tc. Pm đã được tìm thấy, trước hết, trong một mẫu quặng, nhưng hàm lượng được xác định vô cùng bé, chỉ với hàm lượng khoảng 4×10−16 %. Từ đây, người ta còn ước tính rằng, trên vỏ quả đất chỉ tồn tại khoảng 560 gam Promethium được tích lũy từ phản ứng phân hạch tự phát U-238, và 12 gam từ phân rã Eu-151. Sau đó, Pr lại được tìm thấy trong vũ trụ qua dấu vết vạch phổ nguyên tử đặc trưng của nó trong phổ ánh sáng phát ra từ một vài vì sao có tên như HR 465, HD 101065 và HD 965.

“Tuổi đời” của 11 nguyên tố không bền cũng rất khác nhau, nhưng trong tất cả các nguyên tố kể trên, không có đồng vị nào là “sống” vĩnh cửu, mặc dù có vài nguyên tố sống rất “thọ”. “Thọ” nhất là nguyên tố Bismuth, nằm ở ô 83 của bảng THNT: đồng vị Bi-209 của nó có chu kì bán rã những 19 Tỉ x Tỉ năm với sai số chỉ 10%!

Rõ ràng, với câu hỏi đặt ra ở trên, câu trả lời là phủ định. Cụ thể, có tất cả 11 nguyên tố không bền đứng trước Uranium, trong đó nguyên tố Bismuth là bền nhất. Như vậy, số nguyên tố bền đứng trước Uranium chỉ dừng lại ở con số 80.

Tất cả các nguyên tố siêu nặng đều không bền?

Ở đây, câu trả lời sẽ là khẳng định.

Các nguyên tố đứng sau nguyên tố Uranium (92) có tên gọi chung là siêu uran hay siêu nặng. Cho đến nay, chưa tìm thấy một nguyên tố bền nào khác trong số các nguyên tố siêu uran hay siêu nặng đã biết, từ nguyên tố 93 (Neptuni) cho đến 118 (chưa đặt tên)

Cũng cần nói thêm rằng, cả hai nguyên tố nhẹ hơn, Uranium và Thorium - những nguyên liệu chủ yếu của lò phản ứng hạt nhân, tưởng là bền mà cũng không bền. Quả vậy, một đồng vị của Uranium là U-238 có chu kỳ bán rã lớn nhất, 4,51 tỉ năm, suýt soát tuổi của trái đất. Tuy vậy, tuổi thọ đó cũng chưa bằng nguyên tố Bismuth và cũng chưa bằng Thorium; vì một đồng vị của Thorium, Th-232, có chu kỳ bán rã những 14,05 tỉ năm, lớn hơn U-238 và tuổi quả đất đến 3 lần.

Trở lại với các nguyên tố siêu nặng hay siêu uran. Cho đến nay, các số liệu thực nghiệm thu được đều chứng tỏ: các nguyên tố siêu uran đã tìm thấy, chẳng những không bền, mà thời gian sống của chúng bé hơn Uranium quá nhiều. Chẳng hạn, từ nguyên tố 108 đến 112, thời gian sống giảm theo quy luật “nguyên tử số càng tăng, thời gian sống của chúng càng giảm“, cụ thể từ 10 giây xuống còn một phần vạn giây. Nhưng điều thú vị là đến nguyên tố 114, 116 và 118 quy luật nói trên xem như không còn duy trì : thời gian sống lại tăng lên 29 giây với nguyên tố 112 ; 2,6 giây với 114; 20-30 giây với 116 ... Những số liệu về thời gian sống, tuy còn thấp, cũng làm lóe lên tia hy vọng về một “đảo bền“.

Một hòn “đảo bền” cuối bảng THNT đã được lý thuyết hạt nhân tiên đoán, chờ đợi trong nhiều thập kỷ nay. Họ tính đến cấu trúc phức tạp của chất hạt nhân, xem các hạt prôtôn và nơtrôn sắp xếp theo từng lớp, trên giả thuyết đó, các tính toán lý thuyết đã đi đến một kết luận quan trọng: có khả năng tồn tại một “đảo bền” (gồm các nguyên tố bền hoặc sống khá lâu) giữa đại dương những nguyên tố rất không bền.

“Đảo bền” còn đâu đó xa xăm, vì đến bây giờ vẫn không có nguyên tố siêu uran nào bền, thậm chí thời gian sống của các nguyên tố này chỉ có thể tính giây, bằng phút hoặc bé hơn.

Vậy con số 80 vẫn là tổng số các nguyên tố bền đã tìm thấy, không chỉ cho vùng các hạt nhân trước nguyên tố Uranium mà cho toàn bảng THNT. Điều đó cũng có nghĩa là trong 117 nguyên tố đã được phát hiện, tổng số nguyên tố không bền vẫn là con số: 117 - 80 = 37.

Bao nhiêu nguyên tố tồn tại trong tự nhiên? Như đã nói ở trên, chỉ có 117 ô trong bảng THNT đã có “chủ nhân”. Cụ thể, 117 nguyên tố trải dài từ ô thứ 1 đến ô thứ 118 đã được tìm thấy. Ở đây, ô thứ 117 còn để trống vì chưa tìm ra. Trong số đó, có 94 nguyên tố vừa chế tạo được bằng phương pháp nhân tạo, vừa được tìm thấy trong thế giới tự nhiên; dựa trên những chứng tích khác nhau. Nhẹ nhất là Hydro (H,1) và nặng nhất là Plutonium (Pu,94).

Trong 94 nguyên tố nói trên, có 80 nguyên tố bền. Và tất cả 80 đều đã tồn tại trên hành tinh chúng ta từ khi nó mới hình thành. 14 nguyên tố không bền còn lại (gồm 11 nguyên tố đứng trước U, bản thân U và 2 nguyên tố siêu uran Np và Pu) có kiểu tồn tại trong tự nhiên những cách khác nhau.

Trừ Bismuth, các nguyên tố còn lại có chu kỳ phân rã bé hơn nhiều so với tuổi quả đất, Tc và Pm là những ví dụ, chỉ xuất hiện trên hành tinh chúng ta như là sản phẩm của phản ứng phân hạch tự phát hoặc bởi sự phân rã phóng xạ trong các dãy phóng xạ tự nhiên, chứ không phải là những thành phần vật chất còn lưu giữ từ thưở hồng hoang khi trái đất hình thành.

Trên đây đã nói về tình trạng của các nguyên tố đứng trong 94 ô đầu tiên của bảng THNT. Vậy phía sau ô 94, trong số các nguyên tố có tên gọi là siêu uran hay siêu nặng, có nguyên tố nào tồn tại trong tự nhiên hay không? Câu trả lời thú vị là: Có.

Đó là một trường hợp đặc biệt - nguyên tố Californium (Cf,98). Với phương pháp nhân tạo, các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã bắn một chùm hạt anpha (ion của nguyên tử Helium) có động năng gia tốc đến 35 MeV vào bia Curium (Cm-242), kết quả là một đồng vị của Californium là Cf-245 (chu kỳ bán rã 44 phút) đã được tạo thành. Còn trong tự nhiên? Nguyên tố Cf không tìm thấy trên mặt đất, nhưng đã có dấu vết trong vũ trụ, trong một vì sao đang cháy qua vạch phổ đặc trưng ghi được của đài thiên văn. Đây là nguyên tố duy nhất cho tới bây giờ, trong số các nguyên tố siêu nặng hay siêu uran nằm sau ô 94 trong bảng THNT, được xem như có mặt trong tự nhiên.

Nguyên tố Californium đã nâng tổng số các nguyên tố hóa học có thể “nhìn thấy” trên trái đất với hàm lượng khác nhau, hoặc có chứng tích tồn tại trong vũ trụ, lên đến con số 94 +1 = 95.

Tất cả các nguyên tố siêu uran còn lại, từ Americium (Am,95) đến 118 chỉ được tìm thấy bởi phương pháp nhân tạo, chủ yếu bằng cách tổng hợp trên máy gia tốc. Quá trình tổng hợp như sau: Bắn một chùm hạt “đạn” như proton, anpha hay các ion nặng hơn vào lá bia gồm các nguyên tử của một nguyên tố nặng khác, một phản ứng hạt nhân tổng hợp xảy ra. Khi đó, một hạt nhân bia và một hạt đạn kết hợp lại thành một hạt nhân mới, kèm theo quá trình phát các hạt như notron, proton, beta, gamma v.v… Với phản ứng tổng hợp, các hạt nhân siêu nặng hay siêu uran mới được tạo thành, vì vậy các nguyên tố siêu uran này còn được gọi là các nguyên tố tổng hợp.

Tóm lại, tổng số nguyên tố tồn tại trong tự nhiên vẫn không vượt qua con số 95.