Khám phá bí ẩn của nguyên tố plutoni

Tháng 8/2006 vừa qua, các nhà khoa học Mỹ sau nhiều năm dày công nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình toán học nhằm giải thích tính chất rất đặc biệt của plutoni thông qua tương tác thay đổi căn bản cấu trúc tinh thể của nó dưới tác động của một chất phụ gia nguyên tố hiếm là gali.

Trong một thời gian khá dài, có thể tới vài thập kỷ, kể từ khi tiến hành “Đề án Manhattan” của Mỹ nhằm chế tạo bom nguyên tử, các nhà khoa học chưa thể nào giải thíchđược nhiều vấn đề khoa học liên quan đến bản chất nguyên tố plutoni. Khác với tất cả các nguyên tố hoá học khác tồn tại trong tự nhiên, các điện tử liên kết trong nguyên tử plutoni chỉ hình thành nên cấu trúc tinh thể rất không ổn định, khiến cho hạt nhân nguyên tử của nó không bền vững và kim loại plutoni rất nhanh chóng “hoá già” và tự tiêu huỷ cùng với sự “sụp đổ” của mạng tinh thể.

Để tạo ra cấu trúc tinh thể plutoni có hình lập phương khá bền vững và ổn định ở nhiệt độ thường, bằng phương pháp mày mò thực nghiệm, các nhà khoa học Mỹ trong Đề án Manhattan đã dùng nguyên tố hiếm gali phụ gia vào plutoni để tạo ra hợp kim plutoni-gli có “tuổi thọ” khá cao để có thể gia công nhưcho nóng chảy và đổ khuôn thành các viên kim loại. Nhưng về mặt lý thuyết, các nhà khoa học không thể nào giải thíchđược vì sao khi phụ gia thêm nguyên tố gali, chất plutoni “đỏng đảnh” và “ương ngạnh” lại trở nên “dễ bảo” và “ngoan ngoãn” tuân theo các quy trình công nghệ.

Gần đây, các nhà khoa học Mỹ thuộc Phòng thí nghiệm công nghệ cao Livermor lần đầu tiên trên thế giới xây dựng thành công mô hình toán học giải thíchđược vì sao khi phụ gia thêm nguyên tố gali, chất plutoni lại cóđược tính chất đó. Theo cách giải thích của tiến sỹ Kevin Moore, cộng tác viên khoa học của Phòng thí nghiệm công nghệ cao Livermor, nguyên tố hiếm gali có khả năng biến cấu trúc tinh thể có tính đối xứng rất thấp của plutoni thành cấu trúc lập phương.

Trong tinh thể plutoni siêu tinh khiết, mối liên hệ giữa các nguyên tử rất không đồng đều và không cân bằng, nên nó chỉ có thể tồn tại dưới dạng cấu trúc tinh thể không đối xứng và rất không bền vững. Một khi nguyên tử gali có đường kính nhỏ hơn rất nhiều len lỏi vào giữa các khoảng trống trong cấu trúc tinh thể của plutoni, làm cho liên kết giữa các nguyên tử trở nên đồng nhất và hình thành cấu trúc lập phương có tính đối xứng cao nhất trong tất cả các cấu trúc tinh thể.

Theo kết quả nghiên cứu của nhóm các chuyên gia do TS Kevin Moore lãnh đạo đăng tải trên tạp chí “Physical Review Letters”, cách tính toán của các nhà khoa học Mỹ với sự trợ giúp của mô hình toàn học trên siêu máy tính chứng tỏ, nguyên tố gali có khả năng tạo ra cấu trúc rất bền vững cho kim loại plutoni trong điều kiện nhiệt độ khoảng 25 độ C.

Nguồn: KH&ĐS Số 76 Thứ Sáu 22/9/2006