Chương 5: CÁC NGUYÊN TỐ MỚI
5.2. Các nguyên tố phóng xạ nhân tạo
Các nguyên tố thứ 99 và 100 đã được phát minh ra ở phía Nam Thái Bình Dương.
Tháng 11 năm 1952, Hoa Kỳ đã tiến hành một vụ nổ hạt nhân cực mạnh, đó là vụ gây nổ nhiệt hạch lần đầu tiên với qui mô rất lớn, gây ra bởi phản ứng dây chuyền.
Trên khu vực của hòn đảo làm thí nghiệm gây nổ nhiệt hạch đã tạo ra một hố hình phiễu rộng khoảng một dặm mây phóng xạ đã dâng cao khoảng mười dặm với đường kính hàng trăm dặm.
Các máy bay không người lái đã được phái tới đám mây phóng xạ để lấy mẫu cho việc phân tích trích trong phòng thí nghiệm, vì dựa vào kết quả phân tích có thể biết được những gì đã xảy ra trong khi làm nổ nhiệt hạch.
Những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ rằng, với quan điểm khoa học thì họ gặp một trường hợp ít khác thường. Urani có trong thành phần của thiết bị nhiệt hạch đã có khả năng hấp thụ rất nhiều notron, tới 17 notron. Trọng lượng nguyên tử của Urani238 giờ đây tăng vọt lên tới 255.
Đồng vị cực nặng của Urani bị phân hủy phóng xạ để liên tiếp tạo thành những nguyên tố nặng hơn đứng sau Urani kể cả những đồng vị của nguyên tố thứ 99 và 100.
Hàng loạt các phản ứng này có thể viết một cách vắn tắt như sau:
U + n → U + n → U + n → ⋯ U
U → Np → Pu → Am → ⋯ Es → Fm
e e e e e
Hai nguyên tố mới đã được lấy tên các nhà bác học Anbecto Anhstanh (Albert Einstein) và Enriko Fecmi (Enrico Fermi) để làm kỷ niệm. Nguyên tố thứ 99 là Ensteni (Es) còn nguyên tố thứ 100 là Fecmi (Fm). Lần đầu tiên hai nguyên tố này đã thu được bằng cách phân lập một lượng rất lớn các mãnh vỡ của hạt nhân sinh ra do vụ nổ nhiệt hạch.
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 25 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Việc trước tiên là phải xử lý các mẫu vật có chứa sản phẩm phóng xạ bằng các phương pháp hóa học. Mẫu vật là những tờ giấy lọc đem dùng làm màng lọc cho hệ thống máy hút đặt trên máy bay không người lái qua các đám mây phóng xạ.
Song để thu được các nguyên tố mới với một lượng đủ lớn, các nhà nghiên cứu đã phải xử lý hàng tấn San Hô khai thác tại nơi đã xảy ra vụ nổ nhiệt hạch.
Việc phát minh ra các nguyên tố thứ 99 và 100 được coi là đặc trưng cho những nghiên cứu trong những năm 50 của thế kỷ này, là kết quả của sự hợp lực giữa các nhà bác học thuộc các phòng thí nghiệm khác nhau.
5.2.2. Nguyên tố Menđelevi (Md)
Menđelevi là một nguyên tố mới, đã thu được bằng cách bắn phá Ensteni với chùm hạt nhân Heli. Phản ứng hạt nhân được viết như sau:
Es + He → Md + n
Menđelevi chiếm ở ô 101, đã được tổng hợp và nhận biết ở Beclay vào đầu năm 1955 do Anbec Ghiooxo, Becna Dj.Hacvay, Grigori R.Choppin, Stenli J.Thomson và Gonlen Sibooc. Họ đã thực hiện phản ứng này trong Cyclotron trong đó chùm hạt nhân Heli đập vào một tấm bia không lớn. Bia đó là một cái màng tròn bằng vàng rất mỏng, mặt sau của màng được phủ một lớp Ensteni chứa không quá vài tỉ nguyên tử của nó, mắt thường không phân biệt được và được chế tạo bằng phương pháp điện phân.
Nếu như có một vài nguyên tử Ensteni chuyển thành Menđelevi do sự bắn phá, thì khi va chạm với chùm hạt nhân Heli, chúng sẽ bật ra khỏi bia. Ở phía sau bia có đặt một màng mỏng bằng vàng để hấp thụ các nguyên tử của nguyên tố mới, mỗi khi chúng bay ra khỏi bia.
Bia cũng như bẫy được bố trí trong một cái lồng đặc biệt và lồng này được đặt trên đường đi của chùm hạt bắn phá trong Cyclotron.
Những hạt nhân Heli với tốc độ lớn được cung cấp bởi máy Cyclotron cỡ 0,5 m, đặt tại sân thể thao trường đại học Califonia ở Beclay.
Nam châm của Cyclotron buộc các hạt được tăng tốc phải chuyển động trên một quỹ đạo hình xoắn ốc, vì nó mạnh đủ làm cho chiếc vặn đinh ốc đứng thẳng góc trên đầu nhọn hoặc là những viên bi nặng bằng sắt được treo lơ lửng trong không khí.
Nếu như cho chùm hạt cực mạnh đi qua bìa và thoát ra ngoài không khí, thì ta có thể nhìn thấy nó dưới dạng một chùm tia sáng mảnh, màu xanh da trời. Ta có thể chụp ảnh được chùm sáng này ngay cả khi đứng sau một lớp nước dày 0,5 m. Chính lớp nước này được dùng làm cửa sổ để nhìn sang buồng đặt máy Cyclotron. Đây chính là chùm hạt đập vào bia để chuyển Ensteni thành Menđelevi, bằng cách ghép hai proton của hạt nhân Heli vào 99 proton của hạt nhân nguyên tử Ensteni.
Trong điều kiện thực tế của thí nghiệm thì toàn bộ buồng đặt máy Cyclotron đã phải đóng kín mít khi chùm tia đập vào bia. Thí nghiệm đầu tiên họ chỉ dám tính toán thu được một hoặc chỉ có thể là hai nguyên tử của nguyên tố thứ 101. Một hoặc hai nguyên tử đó phải phân lập được khỏi hàng tỉ nguyên tử Ensteni và phải nhận biết được nó trong vòng không quá 0,5 giờ.
Ngay sau khi chiếu xạ, Griori Choppin đun nóng dung dịch để hòa tan hết tấm màng bằng vàng - cái dùng để bẫy. Cuối cùng họ thu được một chất lỏng chứa vàng, hỗn hợp của vài nguyên tố khác và rất có thể có một vài nguyên tử của nguyên tố thứ 101, mà sau này họ đặt tên là Menđelevi.
Những giọt dung dịch ấy được đưa tới phòng hóa học hạt nhân đặt trên đồi Beclay.
Ở đây Stenli Thomsom cùng với máy móc đã chờ đợi họ để bắt tay vào việc phân lập
nguyên tố thứ 101 ra khỏi Ensteni, vàng và các nguyên tố khác có thể có trong dung dịch.
Thoạt đầu chất lỏng cho qua cột trao đổi ion để loại vàng; vàng sẽ bị giữ lại trên cột,
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 26 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc trong khi đó dung dịch có chứa Menđelevi sẽ chảy qua và thoát ra khỏi cột. Những giọt dung dịch này được sấy khô và lại hòa tan để rồi sau đó Choppin lại tiếp tục cho qua cột thứ hai để phân lập Menđelevi ra khỏi nguyên tố bất kỳ khác có thể còn sót lại trong dung dịch.
Những giọt dung dịch này thoát ra khỏi cột được hứng liên tiếp trên những tấm platin nhỏ để sau đó đặt dưới đèn sấy và sấy cho đến khô, chúng được đưa sang “ buồng đếm”, tại đây Ghiooxo lần lượt đặt chúng vào những ống đếm đặt biệt cứ mỗi tấm platin dùng một ống đếm riêng.
Căn cứ vào đặc điểm phân rã phóng xạ, mỗi khi có một nguyên tử của nguyên tố bị phân rã, thì lập tức xuất hiện vết “bùng sáng” ở trong máy đếm do sự ion quá mạnh đã xảy ra. Xung này của dòng điện gây ra sự dịch chuyển của bút tự ghi và sẽ được ghi lại trên băng giấy.
Trong khi làm thí nghiệm đầu tiên họ phải chờ đợi hơn một giờ, cho đến khi bút ghi nhảy vọt đến giữa băng giấy, rồi trở về đường nền vẽ một đường thẳng, nghĩa là đã có sự phân rã của một nguyên tố Menđelevi được phát minh ra lần đầu tiên. Sau đó họ đã làm luôn khoảng một tá thí nghiệm và đã nhận ra tổng cộng chừng 17 nguyên tử của nguyên tố mới.
Thông báo đầu tiên về phát minh ra nguyên tố thứ 102 đã xuất hiện vào năm 1957 tại Viện Vật lý mang tên Noben (Stockhom), nhưng các thực nghiệm lặp lại để xác minh cho phát minh này thất bại. Tuy nhiên, phòng thí nghiệm bức xạ ở Beclay đã tổng hợp được và nhận biết một cách chắc chắn vào tháng 4 năm 1958. Nguyên tố thứ 102 đã được tổng hợp ra bằng cách dùng những ion Cacbon (hạt nhân gồm 6 proton) để bắn phá Curi (hạt nhân gồm 96 proton).
Cm + C → n + No
Nguyên tố 102 được tổng hợp bằng phản ứng trên có chu kỳ bán hủy khoảng 3 giây.
Việc bắn phá được thực hiện trong một loại máy gia tốc mới, có cấu tạo thẳng dùng để tăng tốc các ion nặng.
5.2.3. Nguyên tố 102 (1963 - 1966)
Tháng 6 năm 1957, một nhóm liên hiệp các nhà khoa học Anh và Mĩ làm việc tại Viện Vật lý mang tên Nobel (Stockhom - Thụy Điển), thông báo đã tìm ra nguyên tố 102.
Theo họ, khi dùng ion của Cacbon - 13 bắn phá đồng vị Curi - 244 thì thu được hai đồng vị 253102 và 251102 có chu kỳ bán hủy vào khoảng 10 phút. Và họ đề nghị lấy tên nguyên tố là Nobeli (No). Cũng vào thời gian này các nhà khoa học Liên Xô tại Viện liên hiệp nghiên cứu hạt nhân Đupna, và các nhà khoa học Mỹ ở Califonia chứng minh rằng kết quả do Stockhom đưa ra không thể thực hiện được, tức là không thể tồn tại “No” được.
Chữ “No” trong tiếng Anh nghĩa là “ không”.
Một cuộc chạy đua khẩn trương. Nhóm Liên Xô do viện sĩ Flerop (G.Flerov) lãnh đạo, nhóm Mĩ do một chuyên gia trẻ Jioxo, nguyên là học trò của Sibo lãnh đạo.
Xuất quân đầu tiên trong lĩnh vực tổng hợp hạt nhân lại đúng vào giai đoạn khó khăn nhất, tuy nhiên Liên Xô đã thành công. Trong những năm 1963 - 1967, nhóm của viện sĩ Flerop đã tổng hợp được những đồng vị có số khối 251 - 256 của nguyên tố 102 và họ đề nghị đặt tên cho nguyên tố là Jôliôti (để nhớ ơn nhà Vật lý Pháp Jôliô Curi, người cùng với vợ, lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng phóng xạ nhân tạo). Nhóm Mỹ không thừa nhận tên mới này, mặc dù họ không phản đối những kết quả đưa ra của nhóm Đupna.
Hiện nay nguyên tố này có tên gọi là Nobeli (No). Ngày nay 9 đồng vị của nguyên tố 102 đã được biết, trong đó đồng vị 259102 có chu kỳ bán hủy lâu nhất khoảng 1 giờ.
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 27 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Một điều đáng chú ý là bắt đầu từ nguyên tố 102 trở đi không phải vì số nguyên tố mới ngày càng khan hiếm dần mà trở nên khó tìm. Mà cái chính là thời gian (chu kỳ bán hủy) của chúng quá ngắn, không kịp nghiên cứu một số tính chất của chúng.
5.2.4. Nguyên tố 103 (1961)
Đây là nguyên tố cuối cùng của dãy Actini. Một số sách, trong ô số 103 đặt ký hiệu Lr để chỉ tên Latinh của nguyên tố Lorenxi. Những nhà khoa học Mỹ đặt tên này để ghi nhớ nhà bác học Laurenxo (E.Lawrence), người phát minh ra máy gia tốc Cyclotron.
Nhưng vấn đề còn đang tranh chấp. Năm 1961, cũng còn là một vấn đề bàn cãi. Theo những thí nghiệm đầu tiên về tổng hợp nguyên tố này, các nhà khoa học Mỹ, đứng đầu là Jôxô (A.Giorso) thông báo đã thực hiện đầu năm 1961 bằng cách dùng chùm ion Bo bắn phá hạt nhân California. Thao họ, đã nhận được đồng vị 257103, có chu kỳ bán hủy 8 giây.
Nhưng các nhà khoa học Liên Xô đồng thời cũng tổng hợp được đồng vị này, các tính chất thu được hoàn toàn khác với những điều thông báo của nhóm Beckeli. Như vậy kết quả tổng hợp do Mỹ đưa ra chưa được chấp nhận.
Tình hình trở nên sáng tỏ hơn khi nhóm Đupna đã tổng hợp được đồng vị 256 (1965) và xác định được một số tính chất của nó (chu kỳ bán hủy 45 giây).
Phương trình như sau:
Am + O → Lr + 5 n
Bia bắn là hạt nhân Amerixi, đạn mới là ion Oxi. Sau đó 3 năm, các nhà khoa học nhóm Beckeli cũng nhận được đồng vị này, khi dùng chùm ion Bo bắn phá hạt nhân California theo phương trình sau:
Cf + B → Lr → Lr + 5 n
Như vậy, năm tìm ra, quyền tác giả, vấn đề còn đang tranh chấp cho nên tất nhất là ghế để trống. Ngày nay, trong bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố 103 có tên là Lawrenci (Lr).
Cái khó ở đây cũng giống như đối với nguyên tố 102 là các nhà khoa học mới chỉ thu được một số nguyên tử 103 mà chu kỳ bán hủy quá ngắn.
Không ai bảo ai, các nhà khoa học đã bắt đầu dùng những ion đa tích của những nguyên tử nhẹ như Cacbon, Oxi, Bo, Neon... khi bắn vào hạt nhân, những ion lập tức tăng nhanh điện tích của hạt nhân.
Tuy nhiên, khó khăn mới lại hiện ra. Hạt nhân bia bắn mang điện tích dương, mà viên đạn (những ion) cũng mang điện tích dương. Do đó có sự đẩy nhau.
Vì vậy, kỹ thuật mới là làm sao cung cấp cho những ion một động năng rất lớn để chúng có được những tốc độ siêu cao. Những ion như vậy bất thần tấn công đối phương.
Trên kia chúng ta mở đầu rằng nguyên tố 103 thuộc dãy Actini. Nhưng cái gì làm cơ sở chứng minh? Vai trò hóa học là ở đây. Một phương pháp hóa học hoàn toàn mới do nhà hóa học Tiệp Khắc Giovara (L.Jvara), cộng tác viên tại viện Đupna đưa ra. Nhờ đó có thể nhận biết một nguyên tố thuộc họ Actini hay không (sẽ kể ở nguyên tố sau).
Việc nghiên cứu cho thấy nguyên tố 103 có tính chất hóa học thuộc họ Actini.
Cùng với 3 nguyên tố đã tìm ra trước đây Thori (90), Protactini (91), Urani (92), bằng phương pháp tổng hợp nhân tạo đã tìm thêm 11 nguyên tố nữa (từ ô 93 - 103) chúng tạo thành họ Actini.
Ngay từ những năm 1942 - 1944, nhà bác học Mỹ Sibo đã có ý nghĩ về sự tồn tại một họ Actini, tương tự như họ Lantan.
Ý nghĩ này không phải không gặp khó khăn nhất là khi tìm ra hai nguyên tố sau Urani là Neptuni (93) và Plutoni (94). Những nguyên tố mới này về tính chất hóa học rất giống Urani (có mức oxi hóa +4, +5, +6).
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 28 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Cho nên các nhà hóa học cho rằng những nguyên tố sau Urani là những nguyên tố thuộc dãy Urani và chương trình nghiên cứu những nguyên tố tiếp theo là chương trình Urani. Chương trình này thất bại.
Dựa theo giả thiết có dãy Actini của Sibo đề ra, các nhà hóa học đã nhận thấy quả thật những nguyên tố sau Urani có mức oxi hóa đặc trưng là +3.
Với lý thuyết cấu tạo electron, họ Lantan và họ Actini nói chung là nguyên tố f.
Cho nên hai họ này giống nhau không có gì là lạ. Nguyên tố tiếp theo không còn họ Actini nữa rồi.
5.2.5. Nguyên tố Kusatovi (Ku - 1964)
Năm 1957, nhóm Đupna đã bắt đầu nghiên cứu tổng hợp hạt nhân số 104. Đến năm 1964, Flerop cùng các cộng tác viên đã thông báo về sự ra đời của nguyên tố 104 với tên gọi là Kusatovi (Ku), để tưởng nhớ công lao to lớn của nhà Vật lý hạt nhân Nga Kusatôp (I. V. Kurchatov), người lãnh đạo chương trình nguyên tử của Liên Xô.
Khi dùng chùm ion Neon cực mạnh bắn vào hạt nhân Plutoni có đồng vị 242 thì thu được nhiều hạt nhân có tính chất hoàn toàn khác với những hạt nhân trước đây. Có nhiều dấu hiệu cho biết đó là hạt nhân của nguyên tố 104.
Pu + Ne → Ku + 5 n
Nhưng đó là những dấu hiệu gì để có thể thuyết phục được giới hạn khoa học?
Trong khi chu kỳ bán hủy của chúng chỉ độ mấy giây và những hạt nhân thu được chỉ đếm trên đầu ngón tay.
Rõ ràng phương pháp phóng xạ trước đây không còn công hiệu nữa. Nhà hóa học Tiệp Khắc Giovara đã nghĩ ra một thủ thuật hóa học rất độc đáo.
Về lý thuyết, mọi người đều biết nguyên tố 104 không phải là một nguyên tố họ Actini, nhưng nếu nó là nguyên tố thuộc nhóm IV thì nó phải thể hiện một số tính chất hóa học đặc trưng mà nguyên tố nhóm III (Actini) không có được. Vấn đề là tìm được sự khác biệt đặc trưng về tính chất giữa nhóm III và IV. Đặc trưng đó là các Clorua hóa trị 3 của họ Actini trong điều kiện thường rất khó bay hơi. Trái lại, các Clorua nhóm IV (ví dụ: ZrCl4, HfCl4) đã thăng hoa đáng kể ở khoảng 2500 - 3000 0C. Nếu giả sử có sự xuất hiện nguyên tử của nguyên tố mới, thì với năng lượng thừa của nó, nó nhanh chóng cướp lấy Clo từ hợp chất Clorua của nguyên tố mới. Clorua này cũng dễ bay hơi, nếu nó đúng là thuộc nhóm IV.
Bằng một dòng khí Nitơ thổi qua một cái ống có chứa ZrCl4 và NbCl5 (loại Clorua này rất dễ bay hơi), ống dài đến 4m. Như vậy trong ống sẽ có đồng thời 3 Clorua (kể cả Clorua nguyên tố giả thiết) ở trạng thái hơi. Ống dài nối với máy dò (Detector) để ghi lại những biểu hiện của sự phân hủy đồng vị hạt nhân mới. Thí nghiệm thì khó khăn vô cùng, kéo dài nhiều tuần lễ, liên tục ngày đêm.
Cuối cùng, máy dò cho biết có 12 lần phân hủy hạt nhân của nguyên tố mới. Công việc đi tìm những đồng vị “bền” đang tiếp tục. Được biết đồng vị 259Ku có chu kỳ bán hủy gần 4,5 giây; 260Ku có chu kỳ bán hủy 0,1 giây. Lâu nhất là 261Ku có chu kỳ bán hủy 70 giây.
Các nhà khoa học Mỹ cũng tuyên bố rằng họ đã tìm được nguyên tố 104, nhưng chứng cớ không được thuyết phục cuộc chiến đấu vẫn còn đang tiếp diễn…
5.2.6. Nguyên tố 105 (1970)
Nguyên tố 105 chưa có tên nhất trí trong bảng hệ thống các nguyên tố hóa học. Mỹ đề nghị lấy tên nguyên tố là Hani (Ha) (vì nhà bác học Han (O.Hahn) là người khám phá ra hiện tượng tách nhân nguyên tử). Còn phía Liên Xô đề nghị lấy tên là Ninsbo (Ns) (Theo tên nhà Vật lý Đan Mạch Bo) (Niels Borh). Nhóm khoa học nước nào là chủ quyền tác giả đối với nguyên tố 105, Mỹ hay Liên Xô.