Ai là chủ nhân phát minh nguyên tố mới 117?

Chính nguyên tố này, với tên quy ước là Ununseptium theo kiểu ghép từ tiếng Latin - un (1), un (1) và sept (7),  gần đây được dư luận quan tâm bàn luận với hy vọng sẽ sớm được chính thức hóa về sự tồn tại của nó.

Thực ra, đối với các nguyên tố siêu nặng, việc khám phá một nguyên tố mới là quá trình khó khăn, vậy nên với nguyên tố 117, mới 4 năm trôi qua, kể từ đợt khám phá đầu tiên đến nay đã thực hiện thêm hai đợt kiểm nghiệm nữa, thời gian là không dài. Và, nếu sắp tới, giả dụ cần thêm 1 năm nữa để xác định ai là chủ nhân nguyên tố mới Ununseptium (hay 117) và để đặt tên mới thì cũng không gì là bất thường.

Hai đợt tiên phong ở Nga

Tham gia hành trình khám phá nguyên tố siêu nặng 117 (Ununseptium) chỉ gồm một số phòng thí nghiệm nổi tiếng thế giới với những cỗ máy gia tốc hàng đầu, những vật liệu độc nhất vô nhị, những thiết bị ghi đo và đánh giá hiện đại cùng sự tham gia của các nhóm chuyên gia khoa học có tên tuổi trong lĩnh vực nguyên tố siêu nặng ở bên này, bên kia đại dương.

Những người đi tiên phong, trong giai đoạn đầu 2010 – 2012, chính là tập thể khoa học gia gồm các nhà vật lý, hoá học, công nghệ … từ các phòng thí nghiệm và các trường đại học Nga và Hoa Kỳ, chủ yếu, là Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân mang tên Flerov (FLNR) thuộc Trung tâm JINT (Nga) và Phòng Thí nghiệm Quốc gia Livermore mang tên Lawrence (Mỹ).

Máy gia tốc ion nặng ở Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân mang tên Flerov, Dubna.

Cỗ máy cái đầu tiên dùng trong nghiên cứu tổng hợp 117 là máy gia tốc ion loại mạnh nhất U-400 (hình 1) của Phòng thí nghiệm FLNR phát chùm ion Calcium Ca48 năng lượng đến 252 MeV. Do chùm “đạn” phát ra từ máy gia tốc là Canxi 40 hay Ca(Z=20, A=48) nên phải chọn bia tương thích bằng Berkelium 249 hay Bk(Z=97, A=249) để đạt mục tiêu tạo thành Ununseptium (viết tắt 117Uus) với Z=20+97=117 và A=48+249=297).

Thí nghiệm bắn chùm ion Ca48 lên bia Berkelium kéo dài mấy tháng liền, quá trình phân tích tiến hành cả ở Dubna và Livermore và tiếp theo là cùng xử lý và tổng hợp kết quả nghiên cứu. Và kết quả là 2 đồng vị của nguyên tố siêu nặng mới 117 với khối lượng 293 và 294 được tạo thành theo 2 cách:                                                       

a/ Hạt nhân Ununseptium Uus* với Z=117 và A= 297 được tạo thành trong phản ứng tổng hợp khi ion Canxi được gia tốc bắn lên hạt nhân Berkeliun của bia, rồi biến đổi ngay thành hạt nhân Uus với Z=117 và A=294 khi phát ra 3 hạt nơtron:

Bk(97,249)+Ca(20,48)→Uus*(117,297); Uus*→Uus(117,294)+3n (nơtron).

Trong 6 hạt nhân 117 ghi nhận được suốt đợt thí nghiệm chỉ ghi nhận được 1 hạt nhân (hay đồng vị) 117 với số khối lượng 294.

b/ Hạt nhân Ununseptium Uus* với Z=117 và A= 297 được tạo thành trong phản ứng tổng hợp khi ion Canxi được gia tốc bắn lên hạt nhân bia Berkeliun, rồi biến đổi ngay thành hạt nhân Uus với Z=117 và A=293 khi phát ra 4 hạt nơtron:

Bk(97,249)+Ca(20,48)→Uus*(117,297); Uus*→Uus(117,293)+4n (nơtron).

Trong 6 hạt nhân 117 ghi nhận được suốt đợt thí nghiệm ghi nhận được 5 hạt nhân (hay đồng vị) 117 với số khối lượng 293.

Các hạt nhân của nguyên tố mới 117 này sau đó nhanh chóng phân rã anpha thành các nguyên tố con 115 và cháu 113. Và chính các hạt nhân “con cháu” này không chỉ là “nhân chứng” về sự tạo thành và xuất hiện nguyên tố “bố mẹ” mới 117, chúng còn hỗ trợ cho việc tiếp tục nghiên cứu các tính chất khác liên quan 117.

Tập thể khoa học quốc tế Dubna - Livermore đã tiến hành cả 2 đợt thí nghiệm đầu tiên, đợt đột phá mở đầu vào năm 2010. Đợt tái chế kiểm nghiệm vào năm 2012 sau khi Hiệp hội Hoá Cơ bản và Ứng dụng Quốc tế IUPAC (cơ quan cao nhất sau này sẽ có thẩm quyền công nhận phát minh) đòi hỏi rằng, trước khi được xem xét công nhận phát minh nguyên tố mới, các tác giả phải tái chế tạo nguyên tố này hoặc phải có một phòng thí nghiệm độc lập khác thực hiện và thu được kết quả phù hợp.

Cuộc kiểm nghiệm thứ hai ở Đức

Sau 2 năm kể từ năm 2012, khi kết quả tái kiểm nghiệm của chính nhóm nghiên cứu Nga-Mỹ được công bố, nhóm các nhà khoa học ở Trung tâm nghiên cứu ion nặng Helmholtz GSI (Đức) vào đầu tháng 5/ 2014 vừa qua, trên tập san Physical Review Letters của Mỹ mới công bố các kết quả tổng hợp thành công nguyên tố 117.

Tham gia nghiên cứu tổng hợp nguyên tố mới 117 ở GSI (Tp. Darmstadt, Đức) lại có sự đóng góp của các nhà khoa học Mỹ đến từ Tennessee. Nhưng đông đảo hơn là các khoa học gia đến từ Nhật, Mỹ, Anh, Áo, Thuỵ Điển, Ấn độ, Na-uy, Thuỵ Sĩ và Ba Lan.

Thiết bị chính của thí nghiệm là cỗ máy gia tốc ion mạnh của Trung tâm Nghiên cứu Ion nặng GSI (Helmholtz Center for Heavy Ion Research). Chùm hạt được gia tốc để làm thí nghiệm cũng là Ca48. Và, do đó, cũng tương tự thí nghiệm ở JINT (Dubna), bia được sử dụng là Berkelium Bk249. Không những thế, loại Bk249 này cũng được chế tạo ở Phòng thí nghiệm Oak Ridge National Laboratory tại Oak Ridge, Tennessee (Mỹ). Khoảng 13 mg đồng vị Bk249 với độ tinh khiết cao được chuyển cho GSI (Đức).

Và vì vậy, có thể hình dung thí nghiệm ở GSI (Đức) cũng xảy ra tương tự như ở JINT (Nga), Bia Bk được bắn liên tục trên chùm ion Ca48 cho đến khi tạo thành các hạt nhân của nguyên tố 117, và 117 lại phân rã để trở thành các hạt nhân của các nguyên tố con cháu kế cận đã biết 115 và 113. Và thực tế, như số liệu công bố mới đây trên tập san Physical Review Letters của Mỹ, nhóm các nhà khoa học Đức ở GSI (Đức) đã thu được kết quả tương tự các đồng nghiệp ở JINT (Dubna, Nga). Tức ghi nhận được một số hạt nhân của nguyên tố 117 và sau đó nhanh chóng phân rã thành các nguyên tố con, cháu 115 và 113.

Sau 2 đợt thí nghiệm đầu tiên tiến hành ở JINT (Dubna, Nga) và 1 đợt mới nhất ở GSI (Darmstadt, Đức) trên các phương tiện nghiên cứu hiện đại thuộc loại hàng đầu thế giới, với những chi phí lớn hàng nhiều triệu Đô-la Mỹ và bởi những tập thể khoa học thế giới tài ba và đông đảo, hẳn một ủy ban gồm các thành viên của IUPAC, tức Hiệp hội Quốc tế Hóa Thuần túy và Ứng dụng hẳn có đủ căn cứ khoa học để đánh giá kết quả và quyết định liệu có cần tiến hành thêm các thí nghiệm để xác nhận sự tồn tại của nguyên tố 117 hay không.

Như vậy, Uỷ ban của IUPAC cũng có thể sẽ quyết định được cơ quan khoa học (hay tập thể tác giả nghiên cứu 117 có công lao chính) nào được quyền đặt tên cho nguyên tố mới và gắn tên vàng mới lên ô thứ 117 còn để trống trên Bảng Tuần hoàn Các Nguyên tố Hoá học Menđêlêep.

Chủ nhân nguyên tố mới?

Bảng Tuần hoàn Các Nguyên tố Hóa học tồn tại hàng trăm năm, nay chỉ có trên một trăm (chính xác 117) ô được lấp đầy. Loài người tồn tại nhiệu triệu năm, nay mới khám phá được nguyên tố 117 nhân tạo chưa thấy xuất hiện trên trái đất, và rộng hơn nữa là trong cả Hệ Mặt Trời.

Càng về cuối Bảng Menđêlêep sự khám phá càng khó khăn gấp nhiều lần, vì hạt nhân càng nặng thời gian sống càng bé, bé đến cả 1 phần trăm và thậm chí phần nghìn giây. Và, do đó, khả năng tồn tại của các nguyên tố siêu nặng trong tự nhiên trong quả đất là rất nhỏ bé, và chỉ hy vọng tạo thành nhân tạo trong phòng thí nghiệm.

Càng hiếm, càng khó lại càng quý. Vì vậy, chủ nhân hay người có công đầu trong sự khám phá nguyên tố mới được đánh giá ngày càng cao, vinh quang trong khoa học càng lớn. Cũng vì vậy, ngay bây giờ, trong lĩnh vực nghiên cứu nguyên tố siêu nặng, dư luận đã bắt đầu bàn tán xem ai được Uỷ ban của IUPAC chọn là nhà phát minh chính của nguyên tố mới nhất 117, sẽ được giao nhiệm vụ đề xuất tên gọi chính thức cho Ununseptium 117.

Rõ ràng, trong cuộc lựa chọn này có 4 trung tâm nghiên cứu khoa học có thể kể đến, đó là Phòng Thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân mang tên Flerov (FLNR) thuộc Trung tâm JINT (Nga), Phòng Thí nghiệm Quốc gia Livermore mang tên Lawrence (Mỹ), Trung tâm Nghiên cứu Ion nặng GSI (Đức) và Phòng thí nghiệm Oak Ridge National Laboratory tại Oak Ridge, Tennessee (Mỹ). Cũng có thể tính theo Tập thể khoa học (ê-kip), như: ê-kip Dubna-Livermore (hoặc mở rộng là Dubna-Livermore-Oak Ridge), ê-kip GSI- Oak Ridge.

Việc tính công theo ê-kip có vẻ hợp lý hơn trong trường hợp phát minh 117. Theo hướng này, qua 3 đợt thí nghiệm trên máy gia tốc khám phá Ununseptium 117 (1 thí nghiệm mở đầu và 2 thí nghiệm kiểm chứng), có thể thấy nội dung và kết quả thí nghiệm giữa các ê-kip gần như tương đương nhau. Tuy nhiên, ê-kip Dubna-Livermore ở Dubna ăn điểm về mặt thời điểm phát minh 117 sớm nhất (năm 2010), đồng thời cũng tự làm thí nghiệm kiểm chứng sớm nhất (năm 2012).

Do đó, ê-kip Dubna-Livermore có lẽ có nhiều triển vọng được IUPAC chọn, giao nhiệm vụ đề xuất tên gọi cho nguyên tố mới Ununseptium 117. Điều này cũng có thể xem như các nhà khoa học Nga và Mỹ trong tập thể khoa học gia Dubna-Livermore là chủ nhân của phát minh nguyên tố siêu nặng thứ 117 trong Bảng Tuần hoàn các Nguyên tố.