Chương 5: CÁC NGUYÊN TỐ MỚI
5.3. Các nguyên tố mới được khám phá
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học (viết tắt BTHNT) còn gọi là Bảng Mendeleev. Cho đến nay BTHNT kéo dài đến ô thứ 118, tức đã có 118 nguyên tố hoá học đã được phát hiện.
Trong số đó, cho đến thời điểm hiện nay, còn 4 nguyên tố, dù có thể xem như đã được tìm thấy, nhưng chủ nhân của phát minh chưa được xác nhận và chưa được đặt tên.
Đó là các nguyên tố 113, 115, 117 và 118.
5.3.1. Nguyên tố hoá học thứ 110 mang tên Darmstattium
Ngày 2 tháng 12 năm 1994, các nhà khoa học tại thành phố Damstat, Đức, đã chính thức đặt tên cho nguyên tố hóa học thứ 110 là “Darmstattium” (Ds) để ghi nhớ nơi tìm ra nguyên tố này.
Để có được nguyên tố 110, các nhà khoa học đã tăng vận tốc của nguyên tử kền (niken) lên 30.000 km/s và bắn nguyên tử đó vào một tấm chì. Hai hạt nhân nguyên tử với tổng cộng 110 proton hòa nhập với nhau trong một thời điểm rất ngắn thành nguyên tố 110 và nguyên tố này chỉ tồn tại trong vài phần nghìn giây trong môi trường thí nghiệm.
Theo Hội nghiên cứu ion nặng (GSI) ở Damstat, việc tìm kiếm nguyên tố
“Darmstattium” phải mất 10 năm với tốn phí 500.000 euro.
Các nhà khoa học tại Damstat phát hiện ra nguyên tố “Darmstattium” từ năm 1994.
Kết quả các thí nghiệm sau đó ở nhiều phòng thí nghiệm khác cũng đã chứng minh sự tồn tại của nguyên tố này.
5.3.2. Nguyên tố hóa học thứ 111
Ngày 8 tháng 11 năm 1994, nguyên tố hóa học thứ 111, trong bảng tuần hoàn Mendelev đã được các nhà khoa học của Hội Nghiên cứu Ion nặng (GSI) đặt tên là
“Roentgenium”, tên của nhà khoa học Wilhelm Conrad Roentgen, người đã phát hiện ra tia quang tuyến vào ngày 8 tháng 11 năm 1895, cách đây đúng 109 năm để tưởng nhớ đến ông. GSI cho biết Hiệp hội hóa học gia quốc tế (IUPAC) đã chấp nhận việc đặt tên nói trên cho nguyên tố 111.
Nguyên tố hóa học 111 được tạo ra vào năm 1994, do một nhóm các nhà khoa học thuộc GSI thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị tăng tốc để tạo ra sự tổng hợp hạt nhân của hai nguyên tố uyxmút và niken. Kết quả khi đó đã được xác định thông qua nhiều thí nghiệm độc lập với nhau.
Cho tới năm 2003, IUPAC mới chính thức thừa nhận sự tồn tại của nguyên tố 111 và công nhận GSI là tổ chức có công phát hiện ra nguyên tố này.
5.3.3. Nguyên tố 112
Nguyên tố 112, được phát hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Ion nặng (GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionen - forschung) ở Darmstadt, CHLB Đức, đã được Liên đoàn Quốc tế Hóa học Tinh khiết và ứng dụng (IUPAC) chính thức công nhận là một nguyên tố mới. IUPAC khẳng định sự công nhận nguyên tố 112 trong một lá thư chính
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 31 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc thức gửi cho Giáo sư Sigurd Hofmann, người đứng đầu nhóm phát minh.
Trong thư IUPAC cũng đề nghị nhóm phát minh đề xuất một tên gọi cho nguyên tố mới. Đề nghị của nhóm phát minh được gửi đi với đề xuất tên gọi của nguyên tố là Copernicium với ký hiệu của nguyên tố là Cp. Trong khoảng 6 tháng, sau khi đề nghị tên gọi cho nguyên tố mới được IUPAC xem xét, đánh giá kỹ lưỡng, nguyên tố này sẽ nhận được tên chính thức của nó. Tuy nhiên, sau khi xem xét, IUPAC nhận thấy, với ký hiệu Cp trước đây đã được sử dụng để gọi tên nguyên tố Cassiopium, nay là (Lutetium - Lu), hơn nữa ký hiệu này cũng đã được sử dụng để gọi tên cyclopentadien trong hóa học cơ kim.
Do đó với ký hiệu mới được đề xuất Cn, ngày 19 tháng 2 năm 2010, nhân dịp sinh nhật thứ 537 của Copercnicus, IUPAC đã chính thức chấp nhận tên gọi và ký hiệu của nguyên tố thứ 112 là Cn.
Nguyên tố mới này nặng hơn hiđrô khoảng 277 lần và là nguyên tố nặng nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Đây cũng là nguyên tố thứ 6 được GSI khám phá ra trong 30 năm qua.
Nguyên tử đầu tiên của nguyên tố 112 đã được nhóm nghiên cứu quốc tế của Giáo sư S. Hofmann tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996 bằng thiết bị gia tốc tại GSI. Các thực nghiệm tiến hành sau đó tại hệ thống gia tốc RIKEN của Nhật Bản đã khẳng định một cách chắc chắn phát hiện của GSI.
Để tạo ra các nguyên tử của nguyên tố 112, các nhà khoa học đã gia tốc các nguyên tử kẽm - ion kẽm mang điện tích trong thiết bị gia tốc hạt dài 120 m tại GSI và
“bắn” chúng lên một “bia” chì. Hạt nhân chì và kẽm hợp nhất lại thành hạt nhân của nguyên tố mới. Nó có nguyên tử số là 112, nên được tạm thời gọi là “nguyên tố 112”, là tổng nguyên tử số của hai nguyên tố ban đầu: kẽm có nguyên tử số là 30 và chì có nguyên tử số là 82. Nguyên tử số của một nguyên tố cho biết số proton trong hạt nhân.
Nơtron cũng là hạt cơ bản trong hạt nhân nhưng không có ảnh hưởng đến việc phân loại nguyên tố. Nguyên tố mới có 112 electron trên quỹ đạo hạt nhân và điều này sẽ quyết định tính chất hóa học của nó.
5.3.4. Nguyên tố 113
Đến nay nguyên tố 113 chỉ có một tên gọi tạm thời là Ununtrium và ký hiệu hoá học cũng tạm thời là Uut.
Quyền phát minh sẽ thuộc về tay ai và ai sẽ được giao quyền đề xuất tên gọi chính thức cho nguyên tố này? Cuộc cạnh tranh đang diễn ra gây cấn, cân tài cân sức giữa các ê - kíp khoa học thuộc các nước lớn, nước giàu như Nga, Mỹ và Nhật. Thông tin về việc tạo được hạt nhân 113 đầu tiên tiết lộ vào tháng 8 năm 2003, sau đó công bố vào ngày 1 tháng 2 năm 2004 bởi ê - kíp khoa học quốc tế phối hợp giữa hai trung tâm khoa học nổi tiếng, một ở thành phố Dubna, Nga (Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân mang tên Flerov FLNR) và một ở thành phố Livermore, Mỹ (Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence LLNL).
Hình 5.1: Sơ đồ cấu tạo nguyên tố Ununbium
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 32 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Theo công bố trên, các hạt nhân 113 không trực tiếp được tạo thành mà chỉ được sinh ra như là sản phẩm phân rã anpha của hạt nhân 115 (tên tạm thời là Ununpentium).
Hạt nhân mẹ này thu được trong thí nghiệm tiến hành trên máy gia tốc ion nặng U400 ở Dubna bằng cách bắn chùm hạt Calcium Ca (Z = 20, A = 48) lên tấm bia Americium Am. Theo nguyên lý, hạt nhân được tạo thành có số điện tích Z = 20 + 95 = 115, tức hạt nhân Uup (Z = 115, A = 288) với 3 hạt neutron bay ra:
Am + Ca → Uup + 3 n
Hạt nhân 115 được tạo thành không bền, gần như lập tức phân rã bằng cách phát ra hạt alpha (Z = 2, A = 4) để thành hạt nhân con 113 Uut (Z=113, A=284):
Uup → Uup + α
Tương tự, trong thí nghiệm cũng có thể xảy ra cả phản ứng tạo thành hạt nhân Uup và 4 hạt neutron bay ra, rồi cũng lập tức phân rã alpha để tạo thành hạt nhân con Uup.
Nhóm hợp tác Dubna - Livermore tuyên bố chính thức và mạnh mẽ hơn về phát minh nguyên tố 113 Unt của mình sau khi tiến hành các thí nghiệm hoá học bổ sung (vào tháng 6 năm 2004 và tháng 12 năm 2005) nhằm xác định hạt nhân sản phẩm Dubnium
sinh ra sau một dãy phân rã alpha liên tiếp từ hạt nhân mẹ Uut(113, 284):
Uup → Rg + α → Mt(109,276) + α → Bh + α → Db…
Tuy vậy, trong năm 2011, nhóm chuyên gia của hai tổ chức chuyên môn quốc tế có quyền lực cao nhất về hoá học IUPAC và vật lý IUPAP đã thông báo không công nhận phát minh nguyên tố 113 (và dĩ nhiên cả nguyên tố 115) của ê - kíp Dubna - Livermore vì lý do chưa đủ độ tin cậy cần thiết.
Khác với các “cây đại thụ” Nga, Mỹ và Đức có bề dày lâu năm trong lĩnh vực nghiên cứu các nguyên tố siêu nặng và phát minh các nguyên tố mới, các nhà nghiên cứu Nhật ở Viện Nghiên cứu Hóa Lý RIKEN , một trung tâm khoa học nổi tiếng ở Wako, gần Tokyo, nước Nhật, là những “chiến binh trẻ”.
Họ gia nhập “câu lạc bộ” nghiên cứu hạt nhân siêu nặng với những kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nhân mới 113.
Ngay sau những công bố đầu tiên của ê - kíp Dubna - Livermore, các nhà nghiên cứu Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 2004, trên máy gia tốc của mình, đã tiến hành thí nghiệm bắn chùm ion kẽm Zn (30,70) vào bia Bismuth Bi (83,209) và ghi được một nguyên tử 113 đầu tiên, duy nhất là Unut (113,278) kèm theo 1 hạt neutron bay ra.
Tiếp đến, ngày 2 tháng 4 năm 2005 nhóm RIKEN lại báo tin mới, đã thu được một nguyên tử 113 thứ hai, mặc dù nhiều số liệu ghi được khó có thể giải thích thỏa đáng.Có lẽ vì vậy, nhóm chuyên gia của IUPAC/IUPAP trong thông báo năm 2011 đã không chấp nhận các sản phẩm thu được của nhóm nghiên cứu Nhật ở RIKEN như là một phát minh nguyên tố mới, cùng lúc từ chối các kết quả thu được của nhóm khoa học Dubna - Livermore ở Dubna.
Sau 9 năm kiên trì nghiên cứu, gần đây nhất, vào ngày 12 tháng 8 năm 2012, RIKEN đã công bố thu được một nguyên tử 113 mới Uut (113,278) kèm theo một dãy liên tiếp 6 phân rã alpha đã ghi nhận được:
Uut → Rg + α → Mt + α → Bh + α → Db + α → Lr+ α → MdMd(101,254) + α
Dãy phân rã alpha này khác với những kết quả thu được trước đây của họ. Lần trước, họ nhận dạng sản phẩm Dubnium Db262 chỉ qua hiện tượng tự phân hạch mà không phát hiện được một tính chất đã biết trước đây của Db262 là phân rã alpha. Giờ đây, với số liệu bổ sung mới thu được về sự phân rã alpha của Db262, ê - kíp nghiên cứu RIKEN tỏ ra
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 33 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc tin tưởng vào chiến thắng chung cuộc trước các đối thủ đáng gờm ở Phòng thí nghiệm FLNR ở Dubna.
Nhưng mỗi ê - kíp đều có thế mạnh riêng và cũng có “gót chân Achelles” riêng.
Nhóm khoa học Dubm - Livermore công bố phát hiện hạt nhân 113 trước và số hạt nhân thu được nhiều hơn, nhưng hạt nhân 113 này không được tổng hợp trực tiếp mà chỉ là sản phẩm phân rã của hạt nhân 115. Nhóm nghiên cứu RIKEN thu được trực tiếp hạt nhân 113 và quan sát đủ 6 đoạn của dãy phân rã alpha, nhưng số hạt nhân tạo ra lại quá ít (không quá con số 3) và công bố đầu tiên cũng muộn hơn đối thủ.
Trong cuộc tranh đua sát nút này, khó có sự đoán nhận xác đáng nếu không có đầy đủ chứng cứ khoa học chi tiết. Do đó, kết quả phán xét chung cuộc, ai là chủ nhân của phát minh và có quyền kiến nghị đặt tên cho nguyên tố mới 113, hãy đợi “các quan toà”
khoa học có quyền hạn cao nhất. Đó là Hiệp hội Quốc tế Hoá học Cơ bản và Ứng dụng IUPAC và Hiệp hội Quốc tế Vật lý Cơ bản và Ứng dụng IUPAP .
5.3.5. Nguyên tố 114 và nguyên tố thứ 116
Liên hiệp Hoá học Thuần tuý và Ứng dụng Quốc tế (IUPAC) đã đề xuất tên mới cho nguyên tố 114 và 116 là hai nguyên tố nặng mới được thêm vào bảng tuần hoàn gần đây nhất.
Hình 5.2: Các nhà khoa học đề xuất tên cho hai nguyên tố hóa học mới. (Nguồn:
sciencedaily.com)
Các nhà khoa học đến từ Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore đã đề xuất tên Flerovium cho nguyên tố 114 và Livermorium cho nguyên tố 116.
Vào tháng 6 năm 2011, IUPAC chính thức chấp nhận nguyên tố 114 và 116 là 2 nguyên tố nặng nhất sau hơn 10 năm được các nhà khoa học đến từ Viện Nghiên cứu Hạt nhân ở Dubna và các nhà hoá học đến từ Phòng Thí nghiệm Lawrence Livermore phát hiện.
Người ta chọn tên Flerovium (ký hiệu hoá học là Fl) để vinh danh Phòng Thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân Flerov, đây chính là nơi các nguyên tố siêu nặng (trong đó có nguyên tố 114) được tổng hợp. Georgiy N. Flerov (1913 - 1990) là một nhà vật lý nổi danh, đã phát hiện sự tự phân hạt nhân của chất Urani và là người tiên phong trong ngành vật lý ion nặng.
Livermorium (ký hiệu hoá học là Lv) được chọn để vinh danh Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore và thành phố Livermore ở California. Một nhóm nghiên cứu gia đến từ phòng thí nghiệm này cùng với các khoa học gia đến từ Phòng Thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân Flerov đã tham gia trong một công trình nghiên cứu được thực hiện
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 34 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Hình 5.3: Nguyên tố 115
tại Dubna, Nga về việc tổng hợp các nguyên tố siêu nặng, bao gồm nguyên tố 116. Hai tên mới này sẽ được sử dụng chính thức trong vòng 5 tháng nữa.
5.3.6. Nguyên tố 115 thực sự tồn tại
Nhóm nghiên cứu từ đại học Lund, Thụy Điển, đã tìm thấy bằng chứng khẳng định sự tồn tại của nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử 115. Thí nghiệm được tiến hành tại các cơ sở GSI ở Đức, kết quả của những phép đo trước đây thực hiện bởi nhóm nghiên cứu người Nga.
Ông Dirk Rudolph, giáo sư vật lý nguyên tử tại Đại học Lund, cho biết: “Đây là một thí nghiệm rất thành công, nó là một trong những thành tựu quan trọng nhất trong lĩnh vực này trong những năm gần đây”. Bên cạnh việc quan sát nguyên tố hóa học mới, các nhà nghiên cứu còn truy xuất được dữ liệu mang lại cho họ cái nhìn sâu sắc hơn về cấu trúc và tính chất của các hạt nhân nguyên tử siêu nặng. Tên gọi chính thức của nguyên tố này hiện vẫn chưa được đặt. Các nhà khoa học tạm thời gọi nó là nguyên tố ununpentium. Vị trí trên bảng tuần hoàn là số lượng proton mà một nguyên tố sở hữu.
Hiện nay, nguyên tố nặng nhất được tìm thấy trong tự nhiên là uranium, với 92 hạt proton. Nhưng bằng nhiều phương pháp, các nhà khoa học đã có thể thêm hạt proton vào trong hạt nhân nguyên tử và tạo ra những nguyên tố nặng hơn thông qua các phản ứng hợp nhất hạt nhân.
Để tạo ra nguyên tố mới này, các nhà khoa học đã bắn một tia canxi siêu nhanh với 20 proton vào một tấm phim chứa Ameridi. Nguyên tố Ameridi này chứa tới 95 proton.
Khi những nguyên tử này va chạm, chúng tạo ra một nguyên tử có chứa 115 proton.
Đáng tiếc là nguyên tử này lại không tồn tại được lâu. Các nguyên tố hóa học siêu nặng thường không ổn định và nhanh chóng bị phân hủy. Các nhà khoa học buộc phải sử dụng những công cụ tìm kiếm đặc biệt để “bắt” các tín hiệu năng lượng sinh ra. Nguyên tố siêu nặng mới vẫn chưa được đặt tên. Một ủy ban bao gồm các thành viên của hiệp hội vật lý và hóa học quốc tế sẽ xem xét những kết quả để quyết định có nên tiến hành thêm các thí nghiệm trước khi công nhận nguyên tố mới hay không.
5.3.7. Nguyên tố 117
Sau 14 năm trời kể từ ngày tìm thấy nguyên tố 116 (Livermorium), các nhà khoa học toàn cầu cuối cùng cũng đã tìm ra và xác nhận sự tồn tại của nguyên tố thứ 117:
Ununseptium.
Nguyên tố thứ 117, có tên gọi là “Ununseptium”, đã được các nhà khoa học Mỹ và Nga thuộc Viện Hợp tác Nghiên cứu Nguyên tử JINR phát hiện từ năm 2010. Đến 4 năm sau, nghiên cứu nói trên mới được một đội khoa học độc lập khác xác nhận. Sau sự kiện này, tổ chức Hiệp hội Hóa học Thuần nhất và Áp dụng đã chính thức công nhận sự tồn tại của Ununseptium. Với sự công nhận này, Ununseptium sẽ được đưa vào bảng tuần hoàn, ghi nhận một bước tiến mới của con người về hóa học và các nguyên tố transuranium (các nguyên tố siêu Uranium). Được biết, nghiên cứu tái tạo thành công Nguyên tố 117 lần này do Trung tâm Nghiên cứu Ion GSI Helmhotz (Đức) thực hiện.
Cũng giống như JINR, GSI Helmholtz đã chế tạo thành công Ununseptium bằng cách giải phóng các đồng vị Can - xi vào Berkelium phóng xạ.
“Đó không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Tạo ra nguyên tố hoá học thứ 117 đã gần như chạm đến giới hạn của khoa học tại thời điểm này”, giáo sư David Hinde tại Đại học Quốc gia Australia trả lời trong một cuộc phỏng vấn với IFLScience. Cũng giống
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 35 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc như các nguyên tố siêu Uranium khác, Ununseptium rất bất ổn và chỉ có chu kỳ bán rã phóng xạ khoảng 80 mili - giây.
Song, khoảng thời gian 80 mili - giây vẫn vượt quá sự mong đợi của các nhà khoa học. Điều này mở ra khả năng rằng sau nguyên tố 118 sẽ là một “Hòn đảo ổn định”
hoặc “Đảo bền vững”. (“Hòn đảo ổn định” được dùng để chỉ một loạt các nguyên tố siêu uranium có chu kỳ bán rã phóng xạ tính bằng phút, ngày hoặc thậm chí lên tới hàng triệu năm theo phỏng đoán của các nhà khoa học).
5.3.8. Nguyên tố thứ 118 - số phận long đong
Con đường tìm kiếm nguyên tố 118 cũng quá chông gai và số phận những người săn tìm 118 cũng là bi kịch.
Từ mùa xuân 1999, nhóm Berkley mà tác giả chính là Victor Nivov đã đưa ra thông báo tổng hợp được 2 nguyên tố siêu uran 116 và 118. Tuyên bố này thực sự làm cho dư luận sửng sốt và nghi ngờ. Đầu tiên, vì kết quả thí nghiệm khác xa với tính toán lý thuyết.
Trước sự phản bác mạnh mẽ của các nhóm khoa học gia trên thế giới, nhóm Berkley phải làm lại thí nghiệm và điều rủi ro là chính họ cũng không thể lặp lại kết quả đã công bố của mình. Đồng thời, trên các máy gia tốc tiên tiến ở Darmastadt và RIKEN, trên máy gia tốc GANIL của Pháp, cũng lần lượt làm thí nghiệm kiểm tra. Tất cả đều cho câu trả lời phủ định.
Nhiều nhà khoa học trên thế giới lên tiếng yêu cầu Berkley một thái độ dũng cảm công nhận sai lầm của mình. Trong tình thế đó, các nhà khoa học Bekley phải tiến hành phân tích lại, bằng nhiều cách độc lập, toàn bộ số liệu thí nghiệm thu năm 1999 của mình và kiểm tra các chương trình máy tính đã dùng để tính toán. Kết quả cuối cùng chứng tỏ rằng năm 1999 đã không tổng hợp được nguyên tố siêu nặng 118 và cả nguyên tố 116 là sản phẩm phân rã của 118. Các kết quả công bố trước đây là nguỵ tạo. Nhóm Berkley đã chính thức xin rút lui bản công bố đó. Và tác giả chính của phát minh “ảo” nói trên, Victor Nivov, phải nhận kỷ luật nặng, buộc thôi việc.
Hình 5.4: Phản ứng tổng hợp hạt nhân tạo thành nguyên tố mới nhất 118
Như vậy, năm 1999 là năm sinh “hụt” của nguyên tố 118. Nhưng ý tưởng tìm kiếm 118 vẫn không từ bỏ.
Năm năm sau, hai tập thể khoa học quốc tế nổi tiếng - Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore và Viện LHNCHN Dupna, cộng tác với nhau nghiên cứu tìm kiếm nguyên tố mới 118. Thí nghiệm tiến hành ở Dupna, từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2005, trên máy gia tốc U400 cyclotron, bắn chùm ion Calcium gia tốc vào bia Californium. Kết quả thí nghiệm chứng tỏ: 3 hạt nhân 118 đã được tổng hợp. Thành công đó được công bố trên tạp chí nổi tiếng Physical Review C vào tháng 10 năm 2006. Như vậy, cuối cùng nguyên tố siêu nặng, siêu uran mới - nguyên tố thứ 118 đã được tìm thấy.