Chương 19 Những thứ nằm ngoài bảng tuần hoàn

Có một câu hỏi hóc búa hiện ra ở gần rìa của bảng tuần hoàn. Các nguyên tố phóng xạ mạnh luôn luôn hiếm; nên theo trực giác, bạn sẽ cho rằng nguyên tố kém bền nhất cũng là khan hiếm nhất. Và franci siêu kém bền – nguyên tố có nguyên tử bị xóa sổ nhanh và triệt để nhất mỗi khi xuất hiện trong vỏ Trái Đất – thực sự rất hiếm. Franci tan biến nhanh hơn bất kỳ nguyên tố tự nhiên nào khác, nhưng một nguyên tố thậm chí còn hiếm hơn cả thế. Nó là một nghịch lý, và để giải quyết nó đòi hỏi phải bỏ qua giới hạn an toàn của bảng tuần hoàn. Nó đặt ra cho các nhà vật lý hạt nhân một “Tân Thế Giới” khác để chinh phục: “hòn đảo bền” – hy vọng sáng sủa nhất và có lẽ là duy nhất để mở rộng bảng tuần hoàn ra khỏi giới hạn hiện tại.

Như chúng ta đã biết, 90% nguyên tử trong vũ trụ là hydro và 10% còn lại là heli. Mọi thứ khác (gồm cả Trái Đất nặng 6 × 10 24 kg này) hoàn toàn chẳng đáng kể. Và trong 6 × 10 24 kg đó, tổng lượng atatin – nguyên tố tự nhiên hiếm nhất – chỉ có khoảng 28 g, ít tới mức kỳ quặc. Để hình dung một cách (hơi) dễ hiểu, hãy tưởng tượng rằng bạn để chiếc Buick Astatine trong một nhà để xe rộng lớn và không biết nó ở đâu. Hãy tưởng tượng sự tẻ nhạt khi đi qua từng hàng, từng tầng, từng ô để tìm xe. Để giống quá trình tìm nguyên tử atatin trên Trái Đất, nhà để xe đó phải rộng khoảng 100 triệu ô đỗ, dài 100 triệu hàng và cao 100 triệu tầng. Có tới 160 nhà để xe như vậy, và chỉ có duy nhất một chiếc Astatine. Thôi thì đi bộ về nhà cho nhanh.

Nếu atatin hiếm tới mức như vậy thì thắc mắc về việc các nhà khoa học rút ra con số này thế nào cũng là dễ hiểu. Câu trả lời là họ đã dùng chút mánh khóe. Mọi nguyên tử atatin ở Trái Đất trước đây đã phân rã phóng xạ từ lâu, nhưng các nguyên tố phóng xạ khác đôi khi cũng phân rã alpha hoặc beta để tạo thành atatin. Biết tổng số các nguyên tố sẽ phân rã thành atatin (thường là các nguyên tố gần urani) và tính toán tỷ lệ mà mỗi nguyên tố trong đó phân rã, các nhà khoa học có thể đưa ra một số con số hợp lý cho lượng nguyên tử atatin tồn tại. Điều này cũng áp dụng được với các nguyên tố khác. Luôn có ít nhất 550 đến 850 g franci (hàng xóm rất gần atatin trên bảng tuần hoàn) tồn tại ở bất kỳ thời điểm nào.

Thật thú vị, cùng lúc đó atatin lại bền hơn franci rất nhiều. Một triệu nguyên tử atatin ở dạng đồng vị bền nhất sẽ bán rã sau 400 phút. Cùng lượng nguyên tử franci (cũng bền nhất) như vậy chỉ cầm cự được 20 phút. Franci cực kém bền nên cũng rất vô dụng. Và dù lượng nguyên tử franci trên Trái Đất cũng (vừa) đủ để các nhà hóa học phát hiện trực tiếp, nhưng không ai gom được đủ các nguyên tử franci để tạo ra một mẫu có thể nhìn được bằng mắt. Nếu làm vậy, tính phóng xạ cực mạnh của nó sẽ giết chết họ ngay lập tức. (Kỷ lục tập hợp hiện tại là 300.000 nguyên tử franci.)

Sẽ không ai tạo ra được một mẫu atatin có thể nhìn thấy bằng mắt, nhưng ít nhất nó cũng áp dụng được vào một số lĩnh vực, như là một đồng vị phóng xạ có tác dụng nhanh trong y học. Trên thực tế, sau khi các nhà khoa học (đứng đầu là ông bạn cũ Emilio Segrè của chúng ta) xác định được atatin vào năm 1939, họ đã tiêm một mẫu vào chuột lang để nghiên cứu. Do atatin nằm ngay dưới iốt trên bảng tuần hoàn nên nó hoạt động hóa học trong cơ thể giống như iốt, được tuyến giáp của con vật này lọc và tích lũy. Atatin hiện là nguyên tố duy nhất được xác nhận tồn tại bởi một động vật không thuộc bộ linh trưởng.

Sự tương hỗ kỳ lạ giữa atatin và franci bắt đầu từ hạt nhân. Giống như mọi nguyên tử, không gian trong hạt nhân của chúng là lãnh địa của hai lực: lực hạt nhân mạnh (luôn hút) và lực tĩnh điện (cả đẩy và hút). Dù mạnh nhất trong số bốn lực cơ bản của tự nhiên, phạm vi tương tác của lực hạt nhân mạnh lại nhỏ đến lố bịch – như chi trước của khủng long bạo chúa Tyrannosaurus Rex so với cơ thể nó vậy. Nếu khoảng cách giữa các hạt lớn hơn vài femtomet thì lực hạt nhân mạnh cũng “bất lực”. Vì lý do đó, nó hiếm khi phát huy tác dụng bên ngoài hạt nhân và lỗ đen. Nhưng trong phạm vi tương tác của mình, nó mạnh hơn lực điện từ tới 100 lần. Đây là một điều tốt, bởi nó giữ cho các proton và neutron co cụm với nhau thay vì để cho lực điện từ xé tan hạt nhân.

Khi ở kích thước hạt nhân như của atatin và franci, lực hạt nhân mạnh đã chạm phải giới hạn của phạm vi tương tác, khiến việc liên kết tất cả proton và neutron với nhau trở nên khó khăn. Franci có 87 proton và chúng không hề muốn dính líu với nhau. Hơn 130 neutron làm “đệm” tốt cho các proton tích điện dương, nhưng lại khiến kích thước hạt nhân lớn tới mức lực hạt nhân mạnh không thể tương tác trong toàn bộ hạt nhân để xua tan “bất hòa”. Điều này khiến hạt nhân franci (và tương tự là atatin) cực kém bền. Ngoài ra, càng nhiều proton thì hiệu ứng đẩy của lực điện từ giữa chúng càng mạnh, nên các nguyên tử nặng hơn franci càng kém bền hơn thế.

Điều này chỉ đúng một phần. Hãy nhớ rằng Maria Goeppert- Mayer (Một bà mẹ ở S.D đoạt giải Nobel) đã phát triển một lý thuyết về các nguyên tố “kỳ diệu” cực bền với nguyên tử có 2, 8, 20, 28… proton (hoặc neutron) rất bền. Số lượng proton (hoặc neutron) khác như 92 cũng tạo thành các hạt nhân nhỏ gọn và khá bền – khi lực hạt nhân mạnh phạm vi ngắn có thể nắm chắc các proton. Đó là lý do urani bền hơn atatin hay franci, dù nó nặng hơn. Khi bạn đi qua tuần tự từng ô của bảng tuần hoàn, sự đấu đá giữa lực hạt nhân mạnh và lực điện từ sẽ khiến bạn liên tưởng đến bảng báo giá chứng khoán dày đặc sắc đỏ với xu hướng giảm dần về độ ổn định, nhưng vẫn không thiếu những biến động nhỏ khi một lực tỏ ra trội hơn lực còn lại.*

Dựa trên mô hình phổ biến này, các nhà khoa học cho rằng vòng đời của các nguyên tố nặng hơn urani sẽ tiệm cận tới 0. Nhưng khi họ tiến tới các nguyên tố siêu nặng trong những năm 1950 và 1960, một điều bất ngờ đã xảy ra. Về lý thuyết, các con số kỳ diệu kéo dài cho đến vô tận, và hóa ra có một hạt nhân gần-bền sau urani: nguyên tố thứ 114. Và thay vì chỉ bền hơn một chút, các nhà khoa học tại Đại học California ở Berkeley (còn ở đâu được nữa?) tính toán rằng nguyên tố thứ 114 bền hơn khoảng mười nguyên tố nặng trước nó rất nhiều lần. Với tuổi thọ ngắn đến mức đáng buồn của các nguyên tố nặng (dài nhất là vài micro giây), đây là một ý tưởng phi lý, táo bạo. Việc gói ghém các neutron và proton trong hầu hết nguyên tố nhân tạo cũng giống đóng gói chất nổ, vì hạt nhân có thể “nổ” bất cứ lúc nào. Tuy nhiên, với nguyên tố 114, việc nhồi thêm “thuốc nổ” proton và neutron dường như lại khiến “quả bom nọ” ổn định hơn. Thật kỳ lạ, các nguyên tố như 112 và 116 dường như (ít nhất là trên giấy tờ) cũng được hưởng lợi nhờ ở gần nguyên tố thứ 114. Việc tồn tại xung quanh con số bán-kỳ-diệu đó cũng đủ làm chúng “bình tĩnh” lại. Các nhà khoa học bắt đầu gọi cụm nguyên tố này là “hòn đảo bền”.

Một bản đồ kỳ lạ của “hòn đảo bền” huyền thoại: một cụm nguyên tố siêu nặng mà các nhà khoa học hy vọng cho phép họ mở rộng bảng tuần hoàn vượt xa giới hạn hiện tại. Lưu ý: lục địa chì bền (Pb) ở phần chính của bảng tuần hoàn, hải vực của các nguyên tố không bền; các đỉnh nhỏ gần-bền là thori và urani trước khi tiến ra khơi xa. (Yuri Oganessian, Viện liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna, Nga)

Bị mê hoặc bởi phép ẩn dụ của chính mình và tự coi mình như những nhà thám hiểm dũng cảm, các nhà khoa học chuẩn bị cho việc chinh phục hòn đảo. Họ nói về việc tìm kiếm “thành phố Atlantis” của các nguyên tố, một số người thậm chí còn vẽ “hải đồ” ám vàng cho vùng biển nguyên tố chưa biết đến. (Như thủy thủ ngày xưa, thiếu điều còn vẽ cả thủy quái lên đó). Và suốt nhiều thập kỷ, những nỗ lực vươn tới hòn đảo bền của các nguyên tố siêu nặng đã tạo nên một trong những lĩnh vực vật lý thú vị nhất. Các nhà khoa học vẫn chưa tiếp cận được hòn đảo đó (để có được các nguyên tố thực sự bền – với con số kỳ diệu kép cho cả proton và neutron – họ cần tìm ra cách thêm neutron vào các nguyên tố mục tiêu của mình), nhưng họ đã tới vùng nước nông và đang chèo thuyền quanh để tìm nơi cập bến.

Tất nhiên một hòn đảo bền luôn kéo theo một dải ngập bền và franci nằm chính giữa dải này. Nguyên tố thứ 87 bị kẹt giữa một hạt nhân kỳ diệu (ô thứ 82) và một hạt nhân gần-bền (ô thứ 92); điều này rất dễ khiến neutron và proton của nó “bỏ thuyền chạy lấy hạt”. Do nền tảng cấu trúc hạt nhân, franci tội nghiệp không chỉ là nguyên tố tự nhiên kém bền nhất, mà còn kém bền hơn mọi nguyên tố nhân tạo tính đến nguyên tố 104: rutherfordi. Nếu tồn tại một “rãnh của tính không bền” thì franci chắc đang chết đuối dưới đáy Mariana.

Tuy nhiên, nó vẫn nhiều hơn atatin. Tại sao? Bởi nhiều nguyên tố phóng xạ quanh urani lại phân rã thành franci. Nhưng thay vì phân rã alpha và chuyển đổi thành atatin thông qua việc mất hai proton, hơn 99,9% trường hợp franci lại quyết định giảm áp lực trong hạt nhân bằng phân rã beta và trở thành radi. Radi sau đó trải qua một loạt phân rã alpha và nhảy cóc qua đầu atatin. Nói cách khác, con đường phân rã của nhiều nguyên tử đã chọn franci làm trạm dừng chân ngắn, tạo ra từ 550 đến 850 g nguyên tố này. Cùng lúc đó, franci thu hút các nguyên tử khỏi atatin, nên atatin càng hiếm. Câu hỏi hóc búa đã được giải đáp.

Chúng ta đã khám phá được rãnh của tính kém bền, còn hòn đảo bền thì sao? Khả năng các nhà hóa học tổng hợp được mọi nguyên tố đến con số kỳ diệu lớn là rất đáng ngờ. Nhưng họ có thể tổng hợp một nguyên tố bền như 114 1 rồi 126 và đi từ đó. Một số nhà khoa học cũng tin rằng việc thêm electron vào các nguyên tử siêu nặng có thể giúp hạt nhân của chúng bền hơn: các electron có thể đóng vai trò như giảm xóc và nhíp để hấp thụ năng lượng mà nguyên tử giải phóng khi phân rã. Nếu điều này đúng thì việc tổng hợp các nguyên tố trong khoảng 140, 160 và 180 là có thể. Hòn đảo bền sẽ trở thành một quần đảo. Những đảo bền sẽ cách xa nhau hơn, nhưng các nhà khoa học hẳn có thể vượt qua những khoảng khá lớn trên quần đảo tuần hoàn mới (cũng giống như những người chèo xuồng ở Polynesia vậy).

1 . Nguyên tố thứ 114 hiện nay đã xuất hiện trên bảng tuần hoàn. Nguyên tố này được tạo ra tại Viện liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna vào năm 1998. Cái tên “flerovi” của nó chính thức được IUPAC công nhận vào ngày 30/5/2012. (BTV)

Phần ly kỳ là những nguyên tố mới đó có thể có những tính chất mới lạ (hãy nhớ cái cách mà chì được sinh ra trong nhóm IVA của cacbon và silic), thay vì chỉ là các phiên bản nặng hơn của các hạt nhân ta đã biết. Theo một số tính toán, nếu các electron có thể chế ngự hạt nhân siêu nặng và khiến chúng bền hơn thì các hạt nhân này cũng có thể điều khiển electron. Trong trường hợp này, electron có thể lấp đầy các lớp và orbital theo thứ tự khác. Các nguyên tố nằm ở khu vực kim loại nặng thông thường trên bảng tuần hoàn có thể lấp đầy tám electron ở lớp ngoài cùng sớm hơn và hoạt động như khí trơ có đặc tính của kim loại.

Không phải là kiêu ngạo nhưng các nhà khoa học đã có tên cho các nguyên tố giả thuyết đó. Bạn có thể nhận thấy các nguyên tố cực nặng này ở cuối bảng tuần hoàn, ký hiệu hóa học đều có ba chữ cái thay vì hai và tất cả đều bắt đầu bằng “u”. Cách đặt tên này lần nữa chịu ảnh hưởng của tiếng Latin và tiếng Hy Lạp. Nguyên tố thứ 119 (chưa được phát hiện) là un·un·enni (Uue); nguyên tố thứ 122 (cũng chưa được phát hiện) là un·bi·bi (Ubb)*… Những nguyên tố này sẽ có tên chính thức nếu chúng thực sự được tạo ra, nhưng hiện nay các nhà khoa học vẫn có thể ghi lại và phân biệt các nguyên tố đáng lưu tâm khác – như con số kỳ diệu 184 (un·oct·quadi) – bằng những cái tên gốc Latin. (Và may quá. Với sự diệt vong đang cận kề của hệ thống danh pháp hai phần trong sinh học – hệ thống đã đặt cái tên Felis catus cho mèo nhà đang dần được thay thế bằng “mã vạch” ADN. Cái tên Homo sapiens lừng danh cho vượn người tinh khôn sẽ đi vào dĩ vãng và thời đại của TCATCGGTCATTGG… đang tới. Như thế, các nguyên tố bắt đầu bằng “u” này chỉ còn là bộ phận cố thủ gần như duy nhất chứng minh cho một thời hô mưa gọi gió trong khoa học của tiếng Latin.*)

Vậy quần đảo bền này có thể lớn tới mức nào? Liệu ta có được chứng kiến những “đảo núi lửa” mọc lên bên dưới bảng tuần hoàn mãi tới tận enn·enn·enni (nguyên tố thứ 999) hoặc xa hơn nữa? Thật buồn là không. Ngay cả khi các nhà khoa học tìm ra cách hợp hạch các nguyên tố cực nặng với nhau và may mắn cập trúng một cảng xa thuộc quần đảo bền này, gần như chắc chắn họ sẽ trượt trở lại biển lớn hỗn độn.

Lý do cho điều này đến từ Albert Einstein và thất bại lớn nhất trong sự nghiệp của ông. Bất chấp niềm tin tha thiết của hầu hết người hâm mộ, Einstein đã không giành được giải Nobel cho Thuyết Tương đối (dù là Thuyết Tương đối Hẹp hay Thuyết Tương đối Rộng). Ông được trao giải vì giải thích một hiệu ứng kỳ lạ trong cơ học lượng tử: hiệu ứng quang điện. Công trình của ông đã cung cấp bằng chứng thực sự đầu tiên rằng cơ học lượng tử không phải chỉ sinh ra tạm thời để giải thích các thí nghiệm dị thường, mà thực sự phù hợp với thực tế. Chuyện Einstein nghĩ ra điều này thật trớ trêu vì hai lý do. Một là về cuối đời, ông không tin vào cơ học lượng tử. Đối với ông, bản chất thống kê và xác suất sâu sắc của nó chẳng khác nào trò may rủi. Đây chính là nguồn cơn cho câu nói lừng danh của ông: “Chúa không chơi xúc xắc với vũ trụ”. Ông đã sai, và thật tệ khi hầu hết mọi người chưa từng nghe thấy lời đáp của Niels Bohr: “Einstein! Hãy ngừng bảo Chúa phải làm gì đi”.

Thứ hai, tuy Einstein dành rất nhiều thời gian cho việc hợp nhất cơ học lượng tử và Thuyết Tương đối thành một “Thuyết Vạn vật” chặt chẽ và tinh gọn, nhưng ông đã thất bại. Nhưng cũng không hoàn toàn là vậy. Khi hai lý thuyết gặp nhau, đôi lúc chúng lại bổ khuyết cho nhau một cách tuyệt vời. Sự hiệu chỉnh tương đối về tốc độ của các electron giúp giải thích tại sao thủy ngân (nguyên tố mà tôi luôn để mắt) là chất lỏng ở nhiệt độ phòng, chứ không phải là chất rắn như trông đợi. Và không ai có thể tạo ra nguyên tố mang tên ông (einsteini: nguyên tố thứ 99) mà không có kiến thức về cả hai lý thuyết. Nhưng nhìn chung, ý tưởng của Einstein về lực hấp dẫn, tốc độ ánh sáng và tính tương đối không phù hợp với cơ học lượng tử. Trong một số trường hợp hai lý thuyết gặp nhau (như bên trong các lỗ đen), tất cả các phương trình đẹp đẽ ấy đều sụp đổ.

Sự sụp đổ này có thể đặt ra giới hạn cho bảng tuần hoàn. Trở lại cách ví von electron với hành tinh như Sao Thủy quay quanh Mặt Trời mất 3 tháng còn Sao Hải Vương là 165 năm, các electron lớp trong quay quanh hạt nhân nhanh hơn nhiều so với các electron lớp ngoài. Tốc độ chính xác phụ thuộc vào tỷ lệ giữa số proton và alpha – hằng số cấu trúc tế vi trong chương trước. Khi tỷ lệ đó càng gần một, tốc độ electron sẽ tiệm cận tốc độ ánh sáng. Nhưng hãy nhớ rằng alpha có giá trị cố định (theo chúng ta) là khoảng 1/137. Nếu số proton trong hạt nhân nhiều hơn 137, các electron ở lớp bên trong dường như quay nhanh hơn tốc độ ánh sáng – một điều bất khả thi theo Thuyết Tương đối Hẹp.

Nguyên tố giả định cuối cùng này (thứ 137) thường được gọi là “feynmani” theo tên Richard Feynman – nhà vật lý đầu tiên chú ý đến điều mâu thuẫn này. Chính ông đã gọi alpha là “một trong những bí ẩn lớn chết tiệt của vũ trụ” và giờ thì bạn đã hiểu tại sao. Khi tính khả dĩ của cơ học lượng tử đã giao hội với tính bất biến của Thuyết Tương đối tại feynmani, một bên phải chịu thua. Có điều không ai biết bên nào sẽ thua.

Những nhà vật lý đã suy nghĩ nghiêm túc về du hành thời gian cho rằng Thuyết Tương đối có thể tồn tại một lỗ hổng cho phép hạt đặc biệt (và không quan sát được) gọi là tachyon di chuyển nhanh hơn tốc độ 300.000 km/s của ánh sáng. Điều đặc biệt là tachyon có thể đi ngược thời gian. Nếu một ngày nào đó, các nhà siêu hóa học thực sự tạo ra được un·tri·octi (nguyên tố giả thuyết nằm ở ô 138), liệu các electron ở các lớp trong có thể du hành thời gian mà phần còn lại của nguyên tử không đổi? Có lẽ là không. Có lẽ tốc độ ánh sáng đơn giản là đã đeo “vòng kim cô” cho kích thước của các nguyên tử, và sẽ xóa sổ triệt để các hòn đảo bền huyền ảo giống như các vụ thử bom nguyên tử đã làm với đảo san hô vòng vào những năm 1950.

Vậy điều đó nghĩa là bảng tuần hoàn sẽ sớm không còn hoạt động nữa? Cố định và trở thành hóa thạch?

Không, không, và chắc chắn không.

Nếu người ngoài hành tinh từng hạ cánh ở đây thì không có gì đảm bảo chúng ta có thể giao tiếp với họ (một điều rất hiển nhiên là họ sẽ không dùng ngôn ngữ của Trái Đất). Họ có thể dùng pheromone hay xung ánh sáng thay vì âm thanh; họ còn có thể độc hại với chúng ta nếu không được cấu thành từ cacbon (cơ hội này rất mong manh). Ngay cả khi ta đột nhập được vào tâm trí họ, mối quan tâm hàng đầu của người Trái Đất – tình yêu, thần thánh, sự tôn trọng, gia đình, tiền bạc, hòa bình – cũng có thể không tồn tại với họ. Điều duy nhất ta có thể đưa ra và chắc chắn rằng họ sẽ nắm bắt được chính là những con số như π và bảng tuần hoàn.

Tất nhiên đó phải là các tính chất của bảng tuần hoàn, vì hình thái hiện nay của bảng tuần hoàn (như tòa lâu đài có tháp canh) – xuất hiện ở mặt sau mỗi cuốn sách hóa học – chỉ là một trong những sự sắp xếp khả dĩ. Ông bà chúng ta lớn lên với một bảng tuần hoàn hoàn toàn khác. Có bảng chỉ có tám cột, trông như một tờ lịch tháng với các kim loại chuyển tiếp bị đưa vào các ô tam giác (vốn được chia từ hình chữ nhật ban đầu), giống như các ngày 30 và 31 thừa ra trong tờ lịch tháng. Thậm chí một số người còn đẩy các nguyên tố họ lantan vào phần chính của bảng, tạo ra một mớ hỗn độn.

Không ai nghĩ đến việc dành thêm chỗ cho kim loại chuyển tiếp cho đến khi Glenn Seaborg và đồng nghiệp tại Đại học California ở Berkeley (vâng, vẫn là ở đây) “tân trang” toàn bộ bảng tuần hoàn trong khoảng thời gian từ cuối những năm 1930 đến những năm 1960. Họ không chỉ thêm vào các nguyên tố mới mà còn nhận ra rằng các nguyên tố như actini không phù hợp với sơ đồ mà họ từng học thuở thiếu thời. Một lần nữa, nghe có vẻ kỳ quặc nhưng các nhà hóa học trước đây đã không nghiêm túc về tính tuần hoàn. Họ nghĩ rằng các nguyên tố họ lantan và tính chất hóa học phiền nhiễu của chúng là ngoại lệ duy nhất với quy luật của bảng tuần hoàn, rằng sẽ không còn nguyên tố nào chôn vùi các electron vào lớp f và phải tách khỏi phần kim loại chuyển tiếp giống như họ lantan nữa. Nhưng điều đó đã thực sự lặp lại. Nó phải lặp lại vì đây là quy tắc tuyệt đối trong hóa học, và là tính chất mà người ngoài hành tinh có thể nhận ra ở các nguyên tố. Và chắc hẳn họ cũng sẽ nhận ra như Seaborg: các nguyên tố ngay sau actini (nguyên tố thứ 89) có điều gì đó mới lạ.

Actini là nguyên tố mấu chốt để định hình nên bảng tuần hoàn hiện đại, vì Seaborg và các đồng nghiệp đã quyết định tách tất cả các nguyên tố nặng đã được khám phá vào thời điểm đó – mà ngày nay được gọi là “họ actini” theo tên nguyên tố đầu tiên của họ này – xuống cuối bảng. Vì đang sắp xếp các nguyên tố đó, họ quyết định cung cấp cho các kim loại chuyển tiếp nhiều không gian hơn. Thay vì nhồi nhét chúng vào những hình tam giác, họ thêm mười cột nữa vào bảng. Bản thiết kế này trong hợp lý đến nỗi đã được nhiều người sao chép. Phải mất một thời gian dài cho tới khi không còn ai thích dùng bảng tuần hoàn cũ nữa; nhưng rốt cuộc vào những năm 1970, bảng tuần hoàn cuối cùng đã chuyển từ dạng lịch sang dạng lâu đài – bức tường thành của hóa học hiện đại.

Nhưng ai dám chắc đó là dạng lý tưởng? Dạng cột đã thống trị kể từ thời Mendeleev, nhưng chính Mendeleev cũng thiết kế tới 30 bảng tuần hoàn khác nhau. Đến những năm 1970, giới khoa học đã thiết kế hơn 700 biến thể. Một số nhà hóa học muốn tháo tháp canh ở một bên và gắn vào bên kia, nên bảng tuần hoàn đó trông như một cầu thang kỳ cục. Một số lại thả hydro và heli vào các cột khác để nhấn mạnh rằng hai nguyên tố phi-bát-tử này sẽ rơi vào những tình huống hóa học kỳ lạ.

Tuy nhiên, thực sự thì một khi nghiền ngẫm về hình dạng của bảng tuần hoàn, ta không có lý do gì để giới hạn chúng ở dạng thẳng tắp.* Một phiên bản sáng giá khác hiện nay trông giống như tổ ong, với hydro ở tâm và các ô hình lục giác được đặt trên đường xoắn ốc ngày càng lan rộng hơn. Các nhà thiên văn học và vật lý thiên văn có thể thích phiên bản “Mặt Trời” hydro ở giữa bảng và mọi nguyên tố khác quay quanh nó như các hành tinh cùng những vệ tinh vậy. Các nhà sinh học đã vẽ bảng tuần hoàn như các chuỗi xoắn ADN của con người, và những người đam mê tìm hiểu đã phác thảo ra các bảng tuần hoàn với hàng và cột được xếp nối tiếp nhau trải khắp trang giấy như trong bàn cờ cá ngựa. Thậm chí, có người còn giữ bằng sáng chế của Mỹ (số 6361324) cho khối rubic hình kim tự tháp mà các mặt xoay chứa các nguyên tố hóa học.

Những người có thiên hướng âm nhạc thì viết các nguyên tố lên khuông nhạc, và ông bạn cũ của chúng ta là William Crookes – người tin vào Thuyết thông linh – đã thiết kế hai bảng tuần hoàn kỳ khôi xứng tầm ông: một bảng trông giống như đàn luýt và một bảng khác giống như bánh quy xoắn. Bảng tuần hoàn yêu thích của riêng tôi có hình kim tự tháp: hàng dưới lớn hơn hàng trên, nơi xuất hiện của các orbital mới và số lượng nguyên tố có chỗ trong hệ thống tổng được thể hiện vô cùng trực quan, hoặc dạng xoắn ở giữa vì nó trông giống dải Möbius, tuy chưa hiểu cặn kẽ về nó.

Chúng ta thậm chí không còn phải giới hạn các bảng tuần hoàn ở dạng hai chiều nữa. Phản proton mang điện âm mà Segrè phát hiện năm 1955 ghép cặp vừa vặn với phản electron (positron) để tạo thành phản nguyên tử hydro. Về lý thuyết, tất cả phản nguyên tố khác trên bảng tuần hoàn cũng khả dĩ. Và ngoài phiên bản phản chiếu của bảng tuần hoàn thông thường đó, các nhà hóa học đang khám phá những dạng vật chất mới có thể nhân số lượng các “nguyên tố” đã biết thành hàng trăm, thậm chí hàng ngàn.

Đầu tiên là các siêu nguyên tử. Những cụm này – gồm từ 8 đến 100 nguyên tử của một nguyên tố – có khả năng kỳ lạ là bắt chước tính chất của nguyên tử đơn lẻ của các nguyên tố khác nhau. Ví dụ: 13 nguyên tử nhôm được nhóm theo đúng cách sẽ hoạt động hóa học y như một nguyên tử brom, giống nhau tới mức không thể phân biệt được (dù cụm siêu nguyên tử nhôm lớn hơn một nguyên tử brom tới 13 lần, và tính chất hóa học của nhôm không hề giống brom). Các tổ hợp khác của nhôm có thể mô phỏng các loại khí trơ, chất bán dẫn, chất liệu tạo xương như canxi hay các nguyên tố từ bất kỳ khu vực nào trên bảng tuần hoàn.

Siêu nguyên tử hoạt động như sau: các nguyên tử tự sắp xếp thành một khối đa diện ba chiều, và mỗi nguyên tử trong đó mô phỏng một proton hoặc neutron trong một hạt nhân chung. Điểm đáng chú ý là các electron có thể di chuyển trong “hạt nhân” mô phỏng này, và các nguyên tử cùng chia sẻ electron. Các nhà khoa học gượng gạo gọi trạng thái vật chất này là “jellium”. Phụ thuộc vào hình dạng khối đa diện, số góc và số cạnh, jellium sẽ có nhiều hay ít electron để điều động phản ứng với các nguyên tử khác. Nếu có bảy electron, nó hoạt động như brom hay halogen. Nếu có bốn, nó hoạt động như silic hay chất bán dẫn. Các nguyên tử natri cũng có thể trở thành jellium và mô phỏng các nguyên tố khác. Và không có lý do gì để nghĩ rằng một số nguyên tố không thể bắt chước một số nguyên tố khác, hoặc tất cả các nguyên tố không thể bắt chước lẫn nhau – như một mớ văn thơ hỗn độn kiểu Borges 1 . Những khám phá này đang buộc giới khoa học xây dựng các bảng tuần hoàn song song để phân loại tất cả các loại “nguyên tố” mới. Những bảng này – như những trang trong suốt trong sách giáo khoa giải phẫu – phải được đặt trên khung bảng tuần hoàn gốc.

1 . Jorge Luis Borges (1899-1986): nhà văn, nhà thơ và dịch giả nổi tiếng người Argentina. (BTV)

Jellium tuy rất kỳ lạ nhưng ít nhất thì các cụm nguyên tử vẫn như nguyên tử bình thường. Nó vẫn chưa lạ bằng cách tăng độ sâu cho bảng tuần hoàn. Một chấm lượng tử là một dạng nguyên tử ảo lập thể và vẫn tuân theo các quy tắc của cơ học lượng tử. Một số nguyên tố có thể tạo ra các chấm lượng tử, nhưng một trong những nguyên tố tốt nhất là indi. Nó là một kim loại ánh bạc nằm cùng nhóm với nhôm và sống ngay ở vùng biên giới giữa kim loại và chất bán dẫn.

Các nhà khoa học bắt đầu xây dựng chấm lượng tử bằng cách xây dựng một “Tháp Quỷ” (Devils Tower là một gò đất ở Mỹ – BTV) nhỏ xíu mà mắt thường hầu như không thấy được. Giống như địa tầng, tòa tháp nhân tạo này gồm nhiều lớp: từ dưới lên là chất bán dẫn, một lớp gốm mỏng để cách điện, indi, một lớp gốm dày hơn và điện cực kim loại ở trên cùng. Một điện tích dương được áp vào điện cực kim loại để hút electron. Các electron chạy lên trên cho đến khi chạm tới lớp cách điện mà chúng không thể xuyên qua. Tuy nhiên, nếu lớp cách điện đủ mỏng, một electron – mà ở mức cơ bản nhất chỉ là một sóng – có thể áp dụng hiệu ứng “xuyên hầm” của cơ học lượng tử để đến indi.

Tại thời điểm này, các nhà khoa học ngắt điện nên electron còn lại một mình. Lớp indi này rất hiệu quả trong việc cho các electron chạy qua các nguyên tử của chúng, nhưng lại khiến cho một electron kẹt vào giữa lớp. Electron lúc này lơ lửng trong lớp, vẫn vận động nhưng bị tách biệt. Nếu lớp indi đủ mỏng và hẹp, hàng ngàn nguyên tử indi kết hợp với nhau sẽ hoạt động như một “nguyên tử” lớn, tất cả cùng chia sẻ electron bị bẫy. Đây là một “siêu cá thể”. Đặt hai hoặc nhiều electron vào chấm lượng tử, chúng sẽ sắp xếp để có spin ngược chiều nhau trong indi và tách ra theo các orbital và lớp lớn. Điều này quá đỗi kỳ quặc, giống như việc thu được các nguyên tử khổng lồ ở trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein mà không cần phải làm lạnh xuống đến 10-9 K vậy. Và điều này không phải để chơi: các chấm lượng tử có tiềm năng to lớn cho việc sản xuất máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo vì các nhà khoa học có thể kiểm soát (và nhờ thế thực hiện các phép tính với) từng electron – nhanh gọn hơn việc chuyển hàng tỷ electron qua chất bán dẫn trong mạch tích hợp 50 năm tuổi của Jack Kilby nhiều.

Với các chấm lượng tử, bảng tuần hoàn cũng không còn như trước nữa. Bởi chúng (còn được gọi là “nguyên tử bánh kếp”) rất phẳng nên các lớp electron cũng khác bình thường. Trên thực tế, “bảng tuần hoàn bánh kếp” sẽ khác hẳn bảng tuần hoàn mà chúng ta quen thuộc. Một lý do là nó hẹp hơn, vì quy tắc bát tử đã bị phá vỡ. Electron lấp đầy các lớp nhanh hơn và các chất khí trơ sẽ xuất hiện nhiều hơn. Điều đó không ngăn được các chấm lượng tử khác hoạt động hóa học mạnh hơn chia sẻ các electron và liên kết với các chấm lượng tử khác gần đó để tạo thành thứ mà không ai hình dung được. Không như siêu nguyên tử, không có bất kỳ nguyên tố nào trong thế giới thực hình thành được các dạng tương đương hoàn toàn với các “nguyên tố” chấm lượng tử.

Nhưng cuối cùng ta sẽ không thể nghi ngờ việc bảng tuần hoàn dạng lâu đài của Seaborg (với các nguyên tố họ lantan và actini như những con hào dọc ở dưới) sẽ tiếp tục thống trị hóa học trong nhiều thế hệ tới. Nó là một sự kết hợp tuyệt hảo giữa dễ làm và dễ học. Nhưng cũng đáng buồn khi các nhà xuất bản sách giáo khoa không kèm giữa bảng tuần hoàn của Seaborg (xuất hiện ở bìa trước mỗi cuốn sách hóa học) với một số bảng tuần hoàn độc đáo hơn ở bìa sau: như các hình khối 3D lồi lõm trên trang giấy và kéo các nguyên tố vốn cách xa lại gần nhau hơn, khiến óc tưởng tượng nảy ra một số mối liên kết nhất định khi cuối cùng bạn cũng thấy chúng nằm cạnh nhau. Tôi rất mong có thể quyên góp 1.000 đô la Mỹ cho một số nhóm phi lợi nhuận để hỗ trợ việc nghiên cứu những bảng tuần hoàn hoàn toàn mới dựa trên bất kỳ nguyên tắc sắp xếp nào mà con người tưởng tượng ra được. Bảng tuần hoàn hiện tại đã làm rất tốt, nhưng việc hình dung lại và tái tạo nó rất quan trọng với con người (ít nhất là với một số người). Hơn nữa, nếu có ngày người ngoài hành tinh xuất hiện trên Trái Đất, tôi muốn họ ấn tượng với sự khéo léo của con người. Và có lẽ (chỉ là có lẽ) họ sẽ nhận ra được một số dạng trong bộ sưu tập bảng tuần hoàn của chúng ta.

Nghĩ lại thì có thể bảng tuần hoàn dạng lâu đài của chúng ta (cùng sự đơn giản, gọn gàng của nó) sẽ gây ấn tượng với họ. Và có thể, dù sắp xếp khác đến thế nào hay kiến thức về siêu nguyên tử và chấm lượng tử có cao thâm đến đâu, họ hẳn sẽ thấy một điều mới trong bảng tuần hoàn này. Có lẽ khi được giải thích mọi thứ về cách đọc bảng tuần hoàn này ở tất cả các cấp độ, họ hẳn sẽ huýt sáo (hoặc gì đó) để bày tỏ ngưỡng mộ – vì choáng váng trước những gì mà loài người đã làm để gói ghém các nguyên tố vào đó.