Còn bao nhiêu nguyên tố hóa học chưa được tìm ra? Đó là một câu hỏi mà không chỉ các nhà khoa học mà ngay những người ngoại đạo, những trí thức được trang bị kiến thức cơ bản về vật lý và hóa học cũng nhiều người đặt ra. Để trả lời câu hỏi đó thật chính xác, chắc chắn chúng ta còn tiếp tục chờ đợi sự tiến bộ của khoa học trong nhiều năm nữa. Tuy nhiên, viễn cảnh về một bảng tuần hoàn cứ kéo dài mãi liệu có phải sẽ có thể xảy ra hay không? Chúng ta hãy cùng xem xét.
Ngày nay, ai cũng biết rằng vật chất xung quanh chúng ta: từ nhà cửa, xe cộ cho đến da thịt tạo nên cơ thể chúng ta đều không phải những khối vật liệu liên tục. Giống như mỗi ngôi nhà được xây nên từ nhiều viên gạch, mỗi mẩu vật chất hàng ngày chúng ta biết tới đều cấu tạo từ vô số phần tử nhỏ hơn. Các phần tử cấu tạo nên những loại vật liệu hàng ngày chúng ta vẫn biết tới đó được gọi là các phân tử. Số lượng các loại phân tử thì rất rất nhiều vì chúng vốn được tạo nên từ một hoặc nhiều phần tử khác gọi là các nguyên tử. Mỗi loại nguyên tử là đại diện cho một nguyên tố, và như chúng ta đã biết rằng bảng tuần hoàn hóa học ngày nay chỉ có hơn 100 ô (mỗi ô là vị trí của một nguyên tố), tức là số loại nguyên tử, hay nói cách khác là số nguyên tố chúng ta đã biết là rất hữu hạn. Tuy nhiên vì một phân tử thì có thể tạo thành từ một hay nhiều nguyên tử và có thể từ nhiều loại nguyên tử khác nhau, nên số các vật liệu chúng ta có thể đếm hàng ngày mới nhiều ghê gớm như thế. Câu hỏi đặt ra là liệu rằng hơn 100 nguyên tố đã được xác định kia đã phải tất cả chưa, hoặc ít ra là gần như tất cả chưa, hay còn vô số nguyên tố khác mà con người chưa biết tới vì chúng nằm sâu dưới đáy đại dương, trong lòng đất hay những nơi xa xôi của vũ trụ?
Một tỷ lệ rất lớn trong chúng ta ban đầu sẽ tin rằng việc vũ trụ hay thậm chí ngay hành tinh của chúng ta vẫn còn rất rất nhiều các nguyên tố khác mà chẳng qua con người chưa tìm thấy. Nhưng thực ra, khoa học ngày nay cho chúng ta biết rằng không phải như vậy. Số lượng các nguyên tố hóa học là hữu hạn và nếu chúng ta chưa tìm ra hết thì cũng sắp hết rồi. Dưới đây chúng ta sẽ làm rõ nguyên nhân.
Các nguyên tử vốn không phải là không thể phân chia như người ta từng tưởng. Nó được cấu tạo từ một hạt nhân nặng nằm ở trung tâm và các electron nhẹ hơn rất nhiều chuyển động quanh hạt nhân trên những quĩ đạo khác nhau. Bản thân hạt nhân lại không phải một khối thống nhất mà chúng được tạo thành các hạt nhỏ hơn là các proton và neutron. Mỗi proton và neutron lại được tạo thành từ ba hạt nhỏ hơn nữa gọi là các quark, tuy nhiên các quark tạo thành chúng cũng thuộc hai loại khác nhau gọi là loại up và loại down (cụ thể là mỗi neutron được tạo thành từ hai quark down và một quark up, còn proton thì ngược lại).
Mỗi hạt nhân nguyên tử có số proton xác định, do đó số proton trong nguyên tử đặc trưng cho nguyên tố hóa học. Trong bảng tuần hoàn chúng ta đã biết thì mỗi nguyên tố được đứng ở một vị trí xác định với số hiệu đúng với số thứ tự của nó trong bảng. Số hiệu hay số thứ tự đó thực ra chính là số proton trong nguyên tử của nó.
Chúng ta vừa nhắc qua một số vấn đề cơ bản về cấu tạo của vật chất và các hạt cơ bản. Bây giờ, với một chút bổ sung về tương tác giữa các hạt thì chúng ta sẽ giải quyết được vấn đề về việc tại sao bảng tuần hoàn hóa học không thể dài mãi.
Vật lý ngày nay đã chứng minh rằng trong vũ trụ chỉ có bốn loại tương tác (lực) cơ bản là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác hạt nhân mạnh (hay tương tác mạnh) và tương tác hạt nhân yếu (hay tương tác yếu). Tất cả các tương tác khác mà hàng ngày chúng ta nghe nói tới, thực ra đều chỉ là những biểu hiện khác nhau của một trong các tương tác cơ bản trên. Trong bốn loại tương tác cơ bản vừa nêu thì tương tác hấp dẫn là yếu nhất, nếu so sánh nó với giá trị của các tương tác còn lại thì nó nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Vậy nên nó không đóng vai trò gì đáng nhắc tới khi chúng ta nói về các tương tác hạt. Nhưng ba loại tương tác còn lại thì có.
Mỗi hạt proton đều mang một đơn vị điện tích dương. Điều đó có nghĩa là chúng đẩy lẫn nhau, giống như đưa cực cùng dấu của hai thanh nam châm lại gần nhau. Đó là tác dụng của tương tác điện từ. Tuy nhiên bên trong hạt nhân nguyên tử, nhờ có tương tác mạnh giữa các quark mà giữa các proton và neutron cũng có lực liên kết. Liên kết này là loại liên kết mạnh nhất, nên mặc dù có lực đẩy giữa các proton nhưng với sự có mặt của các neutron nữa thì hạt nhân nguyên tử vẫn không bị phá vỡ. Tuy nhiên đồng thời tương tác mạnh cũng là tương tác có tầm tác dụng ngắn nhất. Vậy nên nếu hạt nhân có nhiều proton hơn thì kích thước của nó cũng lớn hơn và tương tác này sẽ mất tác dụng trong khi lực đẩy điện lúc này lại lớn hơn vì số proton lớn. Vậy nên để các hạt nhân nặng tồn tại được thì chúng lại cần được bổ sung thêm tương tác mạnh. Sự bổ sung đó đến từ các neutron thêm vào. Vì vậy nên nếu để ý tới các nguyên tố trên bảng tuần hoàn hóa học chúng ta sẽ thấy các nguyên tố càng cao (có số proton càng nhiều) thì tỷ lệ giữa số neutron và số proton lại càng lớn. Chính nhờ có các neutron bổ sung thì các nguyên tố nặng như các nguyên tố kim loại chẳng hạn mới có thể tồn tại được mà hạt nhân không bị vỡ ra thành các phần nhỏ hơn.
Thế nhưng lại có một vấn đề nữa. Như chúng ta vừa nhắc tới, hạt nhân càng nặng thì tỷ lệ số neutron so với số proton (N/Z) càng lớn, hay là số lượng neutron nhiều hơn số lượng proton càng lớn. Bản thân neutron vốn không bền. Chúng chỉ bền khi liên kết trực tiếp với proton trong hạt nhân nguyên tử, còn khi đứng độc lập chúng sẽ bị phân rã Beta, trở thành một proton, một electron và một phản neutrino. Cái đó là tác dụng của loại tương tác cơ bản thư tư chúng ta nhắc tới: tương tác yếu. Khi hạt nhân nguyên tử có quá nhiều neutron so với proton thì sẽ có nhiều khả năng có các neutron bị cách li hoàn toàn khỏi proton, và phân rã Beta khi đó có cơ hội xảy ra. Sự phân rã này làm cho hạt nhân trở nên không bền, nó sinh ra những hiện tượng phóng xạ hoặc phân hạch. Hạt nhân càng nặng thì càng không bền chính vì lí do như vậy. Các hạt nhân có số proton gần 100 trở lên đều không tránh khỏi hiện tượng đó, chúng được gọi là các nguyên tố phóng xạ.
Cho tới đầu năm 2015, trong bảng tuần hoàn hóa học chúng ta có thể thấy nguyên tố có số hiệu cao nhất là 118. Tuy vậy trên thực tế thì không ít nguyên tố phóng xạ thậm chí không bền tới mức không thể tìm thấy trong tự nhiên mà chỉ có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm (chúng ta cũng không nên quên rằng ngày nay các máy gia tốc hạt lớn của thế giới có thể tạo ra điều kiện không kém, hay thậm chí còn hơn cả điều kiện trong loi các ngôi sao nặng nhất). Sau khi được tạo thành chúng sẽ phân rã rất nhanh. Vậy nên, cho dù sâu dưới lòng đất hay ở những nơi khắc nghiệt nhất vũ trụ đi nữa, việc tồn tại các nguyên tố có tới vài ba trăm proton là không thể vì vẫn luôn có sự tham gia của các tương tác cơ bản như nêu trên.
Như vậy có thể kết luận chắc chắn rằng bảng tuần hoàn hóa học không thể dài mãi, nó đã hoặc sắp dừng lại. Dù vậy, với sự kết hợp những tính chất phong phú của các nguyên tố và hợp chất hóa học thì lĩnh vực này cho tới nay vẫn còn rất nhiều điều cho khoa học tiếp tục nghiên cứu.
Tháng 2 năm 2015
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này.
