Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 1)

Một sự kiện hiếm đã diễn ra hồi tháng 6, khi không chỉ một mà có tới hai nguyên tố mới được bổ sung vào bảng tuần hoàn hóa học. Là những nguyên tố nặng nhất từng được khám phá, những thực thể mới này tương ứng có 114 và 116 proton trong hạt nhân của chúng. Mặc dù chúng chưa có tên để gọi – nguyên tố có tên gọi nặng nhất hiện nay là copernicium có 112 proton – nhưng sự có mặt của chúng trong bảng tuần hoàn đã được công nhận bởi Hiệp hội Vật lí...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 1) Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 1)Một sự kiện hiếm đã diễn ra hồi tháng 6, khi không chỉ một mà có tớihai nguyên tố mới được bổ sung vào bảng tuần hoàn hóa học. Là nhữngnguyên tố nặng nhất từng được khám phá, những thực thể mới nàytương ứng có 114 và 116 proton trong hạt nhân của chúng. Mặc dùchúng chưa có tên để gọi – nguyên tố có tên gọi nặng nhất hiện nay làcopernicium có 112 proton – nhưng sự có mặt của chúng trong bảngtuần hoàn đã được công nhận bởi Hiệp hội Vật lí và Vật lí Ứng dụngQuốc tế và cơ quan chị em của nó về hóa học và hóa học ứng dụng. Nóichính thức thì những nguyên tố này có tồn tại.Cũng trong cuộc họp của Nhóm Làm việc Chung đã đánh giá bằngchứng cho ba nguyên tố khác nữa trong bảng tuần hoàn, tương ứngchứa 113, 115, và 117 proton. Dấu hiệu của những nguyên tố này đãđược trông thấy ở những thí nghiệm tại Liên Viện nghiên cứu Hạt nhân(JINR) ở Dubna, Nga, và các kết quả đã được công bố trên tạp chí khoahọc. Tuy nhiên, vào dịp này, ủy ban quyết định không chính thức côngnhận sự tồn tại của những nguyên tố đó cho đến khi có những phép đokiểm tra chéo và rõ ràng hơn.Kiến thức của chúng ta về hạt nhân nguyên tử đã có bước phát triển lớn kể từ khi khám phá ra nó được báo cáo vào năm 1911 bởi Ernest Rutherford. (Ảnh: Library of Congress/Science Photo Library)Việc tạo ra và nhận dạng những nguyên tố mới – và trong quá trình đóđịnh nghĩa lại các giới hạn của bảng tuần hoàn – là một lĩnh vực tiênphong của vật lí hạt nhân, nhưng việc chứng minh một nguyên tố mớiđã được tạo ra là không đơn giản. Những thách thức khoa học tương tựnhư thế xảy ra khi đối tượng của thí nghiệm là tạo ra những hạt nhân cótỉ số neutron (N) so với proton (Z) cao hoặc thấp khác thường. Mặc dùnhững hạt nhân “lạ” này có tính chất hóa học giống với những anh embền hơn của chúng và vì thế chiếm giữ những ô giống nhau trong bảngtuần hoàn, nhưng khối lượng tổng không giống nhau của chúng có thểlàm thay đổi triệt để cách thức hành xử của hạt nhân của chúng. Thậtvậy, những loại hạt nhân như thế thường chỉ sống trong tích tắc trướckhi chúng phân hủy phóng xạ thành những dạng bền hơn. Nhưng cáimà những phân hủy này có thể làm là cung cấp những cái nhìn mới hếtsức đáng giá về cấu trúc cơ sở của các nguyên tử. Điều này giúp chúngta tìm hiểu các proton và neutron liên kết với nhau như thế nào để tạora khối vật chất hạt nhân, và từ đó tìm hiểu những nguyên tố bền đãđược tạo ra như thế nào. Một thế kỉ sau bài báo của Ernest Rutherfordvề sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, chúng ta vẫn đang thu về nhữngcái nhìn mới về những bí ẩn của thế giới hạt nhân.Rời nhau mà điBảng tuần hoàn hóa học chứa 92 nguyên tố xuất hiện tự nhiên trên Tráiđất, đa dạng từ hydrogen, nguyên tố chỉ có 1 proton (Z = 1), đếnuranium với 92 proton. Không có nguyên tố nào vượt quá bismuth (Z= 83) có những đồng vị phóng xạ bền; nhưng ngay cả với nhữngnguyên tố nhẹ, các đồng vị bền cũng chỉ đại diện cho một tập con khánhỏ của mọi hệ hạt nhân có thể có. Thật vậy, trong số 7000 hay ngần ấyloại hạt nhân có thể có được cho là tồn tại, chỉ có 286 kết hợp proton-neutron (hay chiếm khoảng 4% trong tổng số) có chu kì bán rã lớn hơn500 triệu năm (khiến chúng có thể xem là bền). Số lượng đồng vị bềncũng khác nhau với từng nguyên tố. Thí dụ, thiếc (Z = 50) có 10 đồngvị bền, trong khi technetium (Z = 43), promethium (Z = 61) vàpolonium (Z = 84) thì chẳng có đồng vị nào bền.Trong họ hạt nhân bền này, có thể nhận ra những kiểu hình nhất định.Một trong những quan tâm này là khối lượng tổng cộng của hạt nhân,A, đó là tổng số proton và neutron trong một hạt nhân (Z + N). Dãy hạtnhân có cùng giá trị A được gọi là đồng khối. Nếu A là lẻ, thì thườngchỉ có một kết hợp bền của proton và neutron cho “dãy đồng khối” nhấtđịnh đó, còn với những giá trị chẵn của A dưới 200 thì thường có haidãy đồng khối bền. Thí dụ, có hai đồng khối bền A = 86, đó là krypton-86 và strontium-86, nhưng chỉ có một đồng khối bền A = 85 ở dạngrubidium-85.Một dấu hiệu nhận biết khác nữa của tính ổn định hạt nhân là tỉ sốneutron trên proton trong một hạt nhân (N/Z). Những hạt nhân nhẹ vớiA < 40 là bền nhất khi hạt nhân chứa số lượng proton và neutron gầnbằng nhau (N/Z ≈ 1). Khi A = 16, chẳng hạn, hệ bền nhất là oxygen-16,nó có 8 proton và 8 neutron. Những hạt nhân nặng, trái lại, là bền nhấtkhi N > Z; đồng vị thường gặp nhất của chì, chẳng hạn, có 126 neutronvà 82 proton, với N/Z = 1,65.Những kiểu hình như thế là quan trọng đối với những ai đang nghiêncứu những hạt nhân nặng và kì lạ vì hai lí do khác hẳn nhau. Thứ nhất,chúng có liên hệ với một số chủ đề rất hấp dẫn trong lí thuyết cơ sở củacấu trúc hạt nhân, nhất là sự tồn tại của cái gọi là “những cấu hình thầnkì” của proton và neutron liên kết chặt chẽ hơn – và do đó bền hơn – sovới những láng giềng hạt nhân của chúng. Mặc dù tổng nă ...