Nguyên tố hóa học có số nguyên tử là 93 và 94 có xứng đáng với giải Nobel không?

           Nguyên tố Neptuni và Plutoni, có số nguyên tử tương ứng là 93 và 94, là hai nguyên tố thuộc nhóm ‘siêu urani’ (nặng hơn urani). Theo thứ tự số nguyên tử chúng đứng ngay sau nguyên tố Urani là nguyên tố có số nguyên tử 92.

Sai lầm của giải Nobel Vật lý năm 1938 liên quan đến nguyên tố 93 và 94

Enrico Fermi-nhà khoa học người Ý là một trong những nhà khoa học tài năng cả về lý thuyết và thực nghiệm với những công trình nghiên cứu cơ bản trong nhiều lĩnh vực vật lý khác nhau trong thế kỷ 20 (như cơ học lượng tử, vật lý hạt nhân, vật lý hạt và cơ học thống kê). Đặc biệt là các công trình nghiên cứu do Fermi thực hiện ở Roma vào những năm ba mươi của thế kỷ 20 có tầm quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến công nghệ phát triển năng lượng hạt nhân. Ông được biết đến là „Kiến trúc sư của thời đại nguyên tử”, là người đầu tiên tạo ra một phản ứng hạt nhân dây chuyền có kiểm soát, là tiền đề cho chế tạo bom nguyên tử cũng như xây dựng lò phản ứng hạt nhân.
Fermi được trao tặng giải Nobel Vật Lý năm 1938 cho „phát hiện ra các nguyên tố phóng xạ mới được tạo ra bởi sự chiếu xạ nơtron và cho khám phá liên quan đến các phản ứng hạt nhân bởi các nơtron chậm”. Các nguyên tố phóng xạ mới của Fermi được tin tưởng là các nguyên tố nặng hơn urani. Trong bài thuyết trình trong lễ trao giải Nobel vào ngày 12 tháng 12 năm 1938, khi đề cập đến việc phát hiện các nguyên tố mới, Fermi đã tuyên bố: „Chúng tôi kết luận rằng chúng là các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn 92. Ở Roma, chúng tôi gọi các nguyên tố 93 và 94 tương ứng là Ausenium và Hesperium”. (Ausenium xuất phát từ chữ „Ausonia” là tên thơ ca của nước Ý từ thời Hy lạp cổ đại. Hesperium (còn được gọi là Esperium (tiếng Ý)) xuất phát từ chữ Hesperia là tên tiếng Hy lạp của nước Ý, có nghĩa là „quốc gia/vùng đất phương Tây”, ý chỉ nước Ý khi nhìn từ phía Hy Lạp.)
Fermi đã có những khám phá rất quan trọng rất xứng đáng với giải Nobel, đặc biệt là việc sử dụng nơtron chậm. Nhưng Fermi đã mắc sai lầm trong việc giải thích kết quả thí nghiệm của mình. Và như vậy giải Nobel được trao cho các nguyên tố 93 và 94 của Fermi là những nguyên tố không hề tồn tại ở thời điểm đó.
James Chadwick đã phát hiện ra nơtron vào năm 1932 và được trao giải Nobel Vật Lý năm 1935 (cho phát hiện nơtron). Nhưng người đầu tiên nhận ra vai trò quan trọng của nơtron như một phương tiện để gây ra phản ứng hạt nhân là Enrico Fermi. Giữa tháng 1 năm 1934 Irène và Frédéric Joliot-Curie đã thông báo về phát hiện các nguyên tố phóng xạ nhân tạo (không tồn tại trong tự nhiên) bằng cách bắn phá các nguyên tố bền bằng hạt alpha. Họ đạt giải Nobel hóa học năm 1935 cho phát hiện này. Kết hợp hai khám phá lại với nhau, Fermi quyết định tạo ra phóng xạ nhân tạo bằng cách dùng hạt nơtron bắn phá các nguyên tố. Fermi là người đầu tiên nhận ra rằng các nơtron không có điện tích nên có thể tiếp cận hạt nhân nguyên tử mà không bị cản trở bởi lực cản Coulomb xung quanh hạt nhân, vì vậy có thể sử dụng để bắn phá hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Trong khi đó nhóm Joliot-Curie chỉ có thể kích hoạt các nguyên tố nhẹ bởi vì họ dùng hạt alpha (có điện tích dương bằng hai lần điện tử) nên không thể kích hoạt các nguyên tố nặng (vì bị cản lại bởi lực cản Coulomb xung quanh hạt nhân).
Từ đầu năm 1934, Fermi và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu có hệ thống về hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Ngày 25 tháng 3 (năm 1934), Fermi đã đăng bài báo trên tờ La Ricerca Sciencea công bố về phát hiện ra „phóng xạ gây ra bởi sự bắn phá bằng hạt nơtron”. Từ tháng 4 đến tháng 7 (năm 1934) nhóm Fermi đã bắn phá 62 nguyên tố bền và xác định được khoảng 50 đồng vị phóng xạ mới.      

Nhóm Fermi, chụp tại sân của viện Vật Lý đại học Roma tại phố Via Panisperna, khoảng những năm 30 thế kỷ trước. Từ trái sang phải: Oscar D'Agostino, milio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti, Enrico Fermi.                                                                           

Nghiên cứu của nhóm Fermi đã chỉ ra rằng bắn phá nguyên tố bền có số nguyên tử Z sẽ tạo ra nguyên tố mới có số nguyên tử (Z+1). Z và M là số nguyên tử và khối lượng của một nguyên tố. Fermi nhận ra rằng các nguyên tố nặng, sau khi hấp thụ một nơtron sẽ trở thành hạt nhân hợp chất mới có số khối lượng là (M+1). Sau một loạt quá trình phân rã, nguyên tố mới có số khối lượng (M+1) nhưng với số nguyên tử cao hơn (Z+1) được tạo ra.

Thời điểm đó urani là nguyên tố có số nguyên tử cao nhất (Z=92) được tìm thấy trong tự nhiên. Fermi tin rằng việc bắn phá hạt nhân nguyên tử urani bằng hạt nơtron có thể tạo ra các nguyên tố gọi là ‘siêu urani’, là các nguyên tố nặng hơn urani (transuranic elements), tức là những nguyên tố có số hiệu lớn hơn số hiệu của urani Z > 92. Cụ thể là chiếu xạ nơtron cho urani-238 (Z=92, M=238) sẽ tạo ra đồng vị urani-239 mà sau đó sẽ trải qua chuỗi phân rã beta và tạo nên nguyên tố X-239 với số hiệu Z=93. Thực tế, khi bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (Z=92) và thori (Z=90) với nơtron, nhóm Fermi quan sát thấy không chỉ một mà là vài loại phóng xạ beta có chu kỳ bán rã khác nhau mà không thể giải thích được một cách đơn giản là do sự phân rã của nguyên tố siêu urani. Tuy nhiên, chỉ vì tin tưởng vào khả năng tạo ra nguyên tố nặng hơn urani, Fermi đã đề xuất sự xuất hiện nguyên tố mới với số hiệu 93. Trong bài báo đăng trên tạp chí Tự nhiên năm 1934, Fermi viết: „...chúng tôi đã loại trừ khả năng phân rã beta với chu kỳ bán rã 13 phút là do các đồng vị của urani (92), protacti (91), thori (90), actini (89), radi (88), bismuth (83), chì (82). Bằng chứng phủ định về hiện diện bức xạ 13 phút trong các nguyên tố nặng cho thấy khả năng xuất hiện nguyên tố có số nguyên tử có thể lớn hơn 92”.
Sai lầm của Fermi là đã không kiểm tra sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ hơn nằm giữa bảng tuần hoàn, mà chỉ kiểm tra những nguyên tố lân cận với urani, chỉ vì ông đã không nghĩ đến khả năng hạt nhân urani bị phân tách thành hạt nhân nhẹ hơn, chẳng hạn như bị phân tách thành nguyên tố bari có số hiệu Z=56.
Nhóm Fermi thực tế đã phân tách nguyên tử urani, nhưng họ lại không biết về điều đó. Thêm một lý do nữa là, để chặn lại các hạt alpha, họ đã đặt một lá nhôm mỏng giữa mẫu urani và máy đếm Geiger (dùng để phát hiện ra các đồng vị phóng xạ), nên họ đã mất cơ hội phát hiện sản phẩm phân hạch có điện tích cao, có khả năng ion hóa rất mạnh và dễ bị hấp thụ.
Chỉ 10 ngày sau bài thuyết trình của Fermi tại giải Nobel về các nguyên tố siêu urani, nhóm Berlin (Otto Hahn và Fritz Strassmann) đã tiếp cận kết quả lịch sử của họ: họ đã phát hiện ra là một trong những sản phẩm phân hạch là bari, một nguyên tố nằm giữa bảng tuần hoàn có số hiệu Z=56, tức là chỉ nhẹ bằng hơn nửa urani. Với phát hiện này, Hahn đạt giải Nobel Hóa học bảo lưu của năm 1944 cho „phát hiện phân hạch hạt nhân”.
Tuy nhiên, nhóm Fermi đã có một khám phá đặc biệt quan trọng. Ngày 22 tháng 10 năm 1934, nhóm Fermi một cách ngẫu nhiên đã khám phá ra một đặc tính quan trọng của nơtron là các hạt nơtron bị làm chậm lại (khi chiếu xạ qua các chất có chứa hydro) trước khi bắn phá nguyên tố mẫu sẽ tạo ra các phản ứng hạt nhân một cách hiệu quả hơn so với các nơtron phát ra trực tiếp từ nguồn nơtron. Đầu tiên Fermi đặt một tấm parafin dày 4 cm ở giữa nguồn nơtron và mẫu bạc. Các nơtron phát xạ từ nguồn sẽ bị chậm lại sau rất nhiều va chạm đàn hồi với prôton có trong parafin. Buổi chiều cùng ngày, Fermi đã lập lại thí nghiệm nổi tiếng thế giới này (làm chậm nơtron) ở hồ cá vàng có đài phun nước nhỏ trong khu vườn của Viện Vật Lý tại phố Panisperna ở Roma: cả nguồn và mẫu được ngâm trong nước (nước cũng là chất chứa nhiều hydro, tuy khác với parafin). Kết quả hoàn toàn phù hợp với các thí nghiệm dùng parafin. Sau đó vào buổi tối nhóm Fermi đã viết bài báo thông báo về phát hiện „Ảnh hưởng của các hợp chất có chứa hydro lên phóng xạ do nơtron tạo ra”.
Khám phá nơtron chậm đã trở thành cơ sở cho hai trong số những phát triển công nghệ quan trọng nhất của thời hiện đại: bom nguyên tử và lò phản ứng hạt nhân.
Viện Vật Lý tại phố Panisperna từ năm 2012 là địa điểm của Trung Tâm học tập và nghiên cức mang tên Erico Fermi (Enrico Fermi Centre for Study and Research). Cũng trong năm này hồ cá vàng được tu bổ lại và mang tên 'Đài phun nước Fermi'. Bên cạnh hồ có đặt tấm bia đá cẩm thạch kỷ niệm của Hiệp hội Vật lý châu Âu (European Physical Society (EPS)) với lời dẫn giải: „Sử dụng nước từ đài phun nước của hồ cá vàng của Viện, vào chiều ngày 22 tháng 10 năm 1934, Enrico Fermi lần đầu tiên đã xác định được vai trò quan trọng của các chất có chứa hydro đối với phóng xạ gây bởi nơtron, do đó mở đường cho việc sử dụng nơtron chậm trong phản ứng chuỗi phân hạch hạt nhân”. Đài phun nước Fermi là địa điểm lịch sử đầu tiên trong danh sách „ di sản khoa học” của EPS, kể từ khi bắt đầu sáng kiến này. 

Hồ cá vàng trong khu vườn của Viện Vật Lý tại phố Panisperna ở Roma (trái, ảnh chụp khoảng những năm 30 thể kỷ 20),

và sau khi được tu bổ thành Đài phun nước Fermi năm 2012 (phải) với tấm bia đá kỷ niệm của Hiệp hội Vật lý châu Âu.

Nguyên tố 93 và 94 có thực sự tồn tại hay không?

Câu trả lời là „Có”. Đó là nguyên tố Neptuni và Plutoni.
Neptuni với số nguyên tử 93 là một kim loại thuộc nhóm actinide phóng xạ, là nguyên tố siêu urani đầu tiên được tạo ra, đứng ngay sau urani trong bảng tuần hoàn.
Urani là nguyên tố 92 được phát hiện vào năm 1789 và được đặt theo tên hành tinh thứ 7 trong hệ Mặt Trời là Uranus (sao Thiên Vương), khi đó vừa mới được phát hiện. Nên nguyên tố 93 là Neptuni đã được đặt tên theo hành tinh Neptune, là hành tinh tiếp theo sau Uranus và là hành tinh thứ tám và xa Mặt trời nhất (sao Hải Vương).
Edwin McMillan và Philip H. Abelson lần đầu tiên tạo ra nguyên tố này tại phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley, Đại học California, khi họ dùng hạt nhân deuteri bắn phá urani. (Deuteri là một đồng vị của hydrô, hạt nhân có hai prôton.) Ngoài các sản phẩm phân hạch hạt nhân, họ đã phát hiện ra hai đồng vị phóng xạ là urani-239 (với thời gian bán rã 23 phút) và neptuni-nguyên tố phóng xạ mới (với thời gian bán rã 2.3 ngày). Họ đã công bố kết quả trong bài báo xuất bản ngày 27 tháng 5 năm 1940 với đầu đề „Nguyên tố phóng xạ 93”. Sau đó họ chọn tên „Neptuni”.
Plutoni với số nguyên tử 94 cũng là một kim loại thuộc nhóm actinide phóng xạ, đứng sau Neptuni trong bảng tuần hoàn. Plutoni do Glenn Seaborg và đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley phát hiện ngày 14 tháng 12 năm 1940. Họ đã quan sát thấy nguyên tố neptuni (Z=93) sau khi được tạo ra, sau đó nó đã trải qua quá trình phân rã beta và tạo thành một nguyên tố mới có 94 prôton. Nguyên tố 94 là nguyên tố tiếp theo trong nhóm actinide, và vì vậy nó được đặt theo tên hành tinh tiếp theo trong hệ Mặt Trời là Pluto. (Khi đó Pluto được coi là hành tinh thứ chín của hệ Mặt Trời (sao Diêm Vương). Hiện nay Pluto không được coi là hành tinh của hệ Mặt Trời, mà là một hành tinh lùn.)
Ngày 28 tháng 3 năm 1941, Seaborg cùng với nhà vật lý Emilio Segrè (đạt giải Nobel Vật lý năm 1959) và nhà hóa học Joseph W. Kennedy (đồng phát hiện plutoni) tại Berkeley đã chỉ ra rằng plutoni cũng là vật liệu có khả năng duy trì phản ứng chuỗi phân hạch hạt nhân. Urani-235 và Plutoni-239 trở thành mục tiêu quan trọng của dự án mang tên Manhattan (chương trình nghiên cứu và phát triển trong Thế chiến II đã sản xuất vũ khí hạt nhân đầu tiên).
Hầu hết Neptuni và Plutoni đã và vẫn được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân. Vi lượng các nguyên tố này cũng được tìm thấy trong tự nhiên (trong vỏ Trái đất, trong quặng có chứa urani).

Nguyên tố 93 và 94 được nhận giải Nobel Hóa học năm 1951

Giải Nobel hóa học năm 1951 đã được trao cho Edwin Mattison McMillan và Glenn Theodore Seaborg „vì những khám phá trong hóa học về các nguyên tố siêu urani”.
Giải Nobel Vật lý năm 1938 bị trao nhầm cho nguyên tố 93 và 94, vì nó là giải thích sai lầm kết quả thí nghiệm của nhóm Fermi. Nhưng nó lại xứng đáng nhận giải Nobel Hóa học năm 1951 bởi vì nó thực sự tồn tại và đã được phát hiện.

Tài liệu tham khảo
https://www.nobelprize.org
https://www.famousscientists.org/enrico-fermi/
L. Carbonari, G. Leoni, The Istituto Fisico on Via Panisperna: the new Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "Enrico Fermi" di Roma
http://webzine.web.cern.ch/webzine/7/papers/3/
Ảnh: từ Internet.